k-12学习者习得“计算思维”的理念与策略

杨晓?高雅

摘 要 研究阐明“计算思维”是现代社会认识和解决问题的重要思维方式之一，为解决问题提供了新的思路。虽然“计算思维”的重要价值在国内已经得到了普遍认同，但是我国目前对基础教育阶段学习者“计算思维”的培养还存在很多不足之处。美国支持K-12学习者习得“计算思维”的理念和策略有其独到之处，对我国基础教育阶段中小学生“计算思维”的培养具有一定的启示与借鉴意义。

关键词 k-12学习者 “计算思维” 创客空间

2017年《地平线报告》提出，“计算思维”是21世纪教育研究的重要课题之一，也是小学生除了阅读、写作、算数之外，必须熟练掌握的一项基本技

能[1]。但是，我国培养学习者习得“计算思维”的方式仍存在不少问题，且研究对象主要集中在大学计算机课程领域。研究美国支持k-12学习者习得“计算思维”的理念和策略，对促进我国基础教育阶段学习者“计算思维”培养方式的发展有重要意义。

一、k-12学习者习得“计算思维”的理念

“计算思维”起源于计算机科学家们在研究和利用计算机进行问题求解过程中常用的思考问题的方法，是被实践检验过的促进计算机和信息技术快速发展的有效的分析问题与解决问题的典型手段与途径。20世纪60年代，计算机编程因具有改变学生学习方法和发展学生能力的潜在价值被视为一种扩展和增强学生思维的有效方式。直到1996年，“计算思维”才被西蒙·派珀特在杂志上首次作为一个专业名词提出来[2]。到了21世纪，随着计算机网络的发展，美国很多研究组织已经充分认识到“计算思维”的潜在价值，纷纷提出了自己对于“计算思维”潜在价值的新理解。例如，2005年发布的《计算科学：确保美国竞争力》中提到，计算不仅本身可以作为一门学科，同时也具有促进其他学科发展的重要作用。甚至在21 世纪，先进的计算技术和计算科学能促进一些领域最重要的前沿研究得到推进[3]。2008年，《“计算思维”：一个所有课堂问题解决的工具》报告由美国国家计算机科学技术教学者协会（CSTA）发布，详细论述了“计算思维”的定义及作用。2009年NSF启动了智能科学发现和技术创新计划，明确提出：有必要依靠“计算思维”的发展和创新来推动工程技术领域和自然科学领域的革命性创新。2011年，针对基础教育的“计算思维”课程内容及框架被国际教育技术协会（ISTE）和计算机科学教育协会制定出来。2016年，美国计算机学会、计算机科学教师协会、网络教育创新中心和其他跨学科团队合作制定了K-12计算机科学框架，不仅把“计算思维”作为基础，也确定了计算机课程内容在教育阶段的核心地位。

1.培养k-12学习者在学习过程中的主体性

美国在促进k-12学习者习得“计算思维”的过程中强调既要关注学习者的主体性，又要注重培养学习者的创造力。k-12学习者“计算思维”的培养要遵循的主体性原则可以概括为四条：（1）培养不仅仅只是提高中小学生计算机编程的能力，也不是简单地把解决问题程序化。（2）培养不是刻板的、模板式的按照程序步骤重复操作。（3）培养不是要人学会计算机的工作方式，而是要充分激发和发挥人的创造力和想象力。（4）比起最后的结果，培養更应该关注中小学生本身在培养过程中的发展。

2.促进k-12学习者思维模式的发展

西蒙尔·帕伯特从认知发展理论出发，认为“儿童在使用计算机解决各种事情的过程中，既可以把认知思维具体化，也可以学会学习方法、发展能力”。这种视角下的“计算思维”被称为“思维技能”说。“思维技能”说认为，“计算思维”是使用计算原理解决问题的一系列心智技能的集合，是多种思维的组合[4]。2006年，周以真第一次提出“计算思维”是一种使用计算机科学的基础概念解决问题、设计系统和理解人类行为等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动，2008年进一步指出“计算思维”是一种分析思维[5][6]。在此基础上，许多学者从这个角度提出了自己对于“计算思维”的解读，例如曼尼拉等学者继续分析研究，认为“计算思维”是一系列思维技能[7]。2015年，美国国际教育技术协会不仅把“计算思维”解读为创造力、算法思维和问题解决能力的体现，而且是批判性思维、合作思维和沟通技能的体现[8]。总而言之，“计算思维”的培养目标不是要让学习者像计算机那样思考，不是一种单一的思维模式，而是多种思维模式的综合体。

3.培养k-12学习者解决问题的能力

“计算思维”也被称为“过程要素说”，主张“计算思维”是解决问题的过程，这个过程可以分为不同阶段，每个阶段都是组成“计算思维”的要素。而美国精确的针对K-12教育“计算思维”能力的操作性定义明确给出了“计算思维”的六个阶段要素：（1）发现问题并使用计算机和其他工具来帮助解决问题;（2）逻辑组织和分析数据;（3）通过抽象（如模型，仿真等）重现数据;（4）通过算法（一系列有序步骤）来支持自动化问题解决方案;（5）识别、分析和实施可能的解决方案，并整合最有效的解决方案和资源;（6）促进和移植问题解决过程得到更广泛的应用[9]。

概括来说，“计算思维”会对学习者的学习方法进行训练，并促使学习者形成一种全新的思维方式，自觉将计算机科学的问题解决方式延伸到其他学科，并通过抽象化、模型化等方法分析问题，然后形成可计算化、自动化的解决方案，增加解决问题的可能性[10]。

二、k-12学习者习得“计算思维”的策略

工具和学习环境是美国促进k-12学习者“计算思维”培养的两大利器。一方面，美国k-12阶段学习者“计算思维”的习得，研究主体为k-12阶段的学习者，他们大多没有编程能力，“计算思维”却是以编程为依托的，而编程对于大部分学习者尤其是中小学生来说是很困难的，这就给“计算思维”的培养带来了巨大挑战。因此，有效使用“低门槛”的编程工具是很有必要的。另一方面，技术增强的学习环境逐渐兴起，这些环境使用计算机软件开发工具来增强学生的自主学习和创造力。

1.掌握Logo语言

Logo语言是西蒙·派珀特在二十世纪六十年代末和七十年代初开发的一种与自然语言非常接近的、有利于儿童和缺乏编程基础的成人学习编程的早期计算机语言。它通过“绘图”方式对初学者特别是儿童使用乐学乐教的教学方式等来促进学习者学习编程[11]。

（1）Logo语言的理念

Logo语言的理念之一是“低地板，高天花板”，这个理念的初衷是既可以让自身编程基础十分有限甚至为零的初学者不用担心在学习过程中会因自身计算语法水平有限而受限，又对那些有专业知识的人来说几乎没有限制，以扩大受众群体。

（2）Logo语言的优势

Logo语言编写程序是模块结构，语言中的变量允许以任意类型组合，并且具有丰富的画图功能、表处理能力、很强的人机对话功能。这些优点都为培养计算语法水平有限的学习者的“计算思维”提供了便利。

（3）Logo语言面临的挑战

西蒙·派珀特博士批评在学校中主要是被动和接受的学习方式[12]，提出学生利用Logo进行的项目会激发他们的兴趣和热情。在学习过程中，学生会观察、欣赏和模仿对方的项目和编码，随时改进和即兴创作，充分发挥学习者的主体性，让其成为真正的学习者。然而，按照西蒙·派珀特的理念把Logo工具融于学校的日常教学有很大的困难，需要教师角色发生大规模转变，教师需要学习使用工具并支持学生使用这些工具;他们还需要熟悉新的、更具挑战性的、以探究为导向的教学方法[13]。

2. 创设Scratch学习环境

Scratch是一种可视化编程环境，最初是为在课后计算机俱乐部中使用而开发的[14]。随着“计算思维”的发展，Scratch的优势逐渐显现，几乎所有的孩子都会一眼喜欢上Scratch，建立起做程序的欲望。

（1）Scratch的理念

“低门槛”“高界限”和“阔空间”的特点，使得Scratch在更加容易入门的同时，学生又有机会制作越来越复杂的项目，并且即使是具有不同兴趣和学习风格的学生也能同时参与进来，一起完成各种类型的项目[15]。

（2）Scratch的优势

Scratch有三个目标：①为了让编码变得“更容易修补”：让学生能够自由编辑程序;②为了使编码变得“更有意义”：学习者可以自由地处理他们感兴趣的问题和项目，增强学习者的学习动机;③为了让编码变得“更社会化”：通过将Scratch项目链接到一个社区网站上，让程序可以共享，最重要的是，允许任何Scratch检查另一个程序，然后修改它或将其纳入自己的程序中，重新混合可以进行修补。

Scratch的可视化理念使其成为了以学生为中心的编程环境，不仅以学生的兴趣点为学习动机，通过想象、编程、分享、创造性思维、遇到问题、解决问题、测试、实现等步骤，增强学习者的创造力、想象力和解决问题的能力，并且降低了编程语言的难度，使没有编程基础的中小学生也可以按照自己的想法自由编程，促进了学生“计算思维”的培养。

（3）Scratch面临的挑战

在非正式学习环境中，Scratch的设计理念可以很好的指导学习者完成项目，但在传统的k-12的教学环境中使用Scratch实现上述目标是很困难的，美国学者为能在正式学习环境中使用Scratch也做了很多研究和思考。2012年布伦南开展了ScratchED项目，试图探索在正式的k-12教学环境中使用Scratch的影响，并通过与课堂广泛整合的技术教授“计算思维”，即学生不仅参与课堂学习共同体，而且参与更广泛的Scratcher（scratch用户）的全球社区。布伦南通过与学生的交谈来了解Scratch编程中是什么因素吸引着他们，甚至积极参与社区活动以及制约scratch发挥作用的因素，比如教师的个人兴趣和当前能力;Scratch创作环境和社区网站的提供;家庭及身边的人的态度和支持;教师自身经历以及如何影响他们对计算机编程的价值的思考等[16]。

3.建设创客空间

（1）创客空间的理念

创客是指基于兴趣爱好，把创意努力转变為现实的人。创客文化是一种学徒式学习和实践社区的表现形式，在实践社区学习是由兴趣驱动的，这样学习者就有动力去克服挑战。创客空间的工作包括计算机编程和其他小型电子产品，但也有其他非计算领域的材料，以扩大参与和加强对设计思维的关注[18]。

（2）创客空间的优势

创客空间所提倡的教育是一种基于学生兴趣、以数字化工具为基础进行项目学习的方式，培养跨学科解决问题能力和创新能力的全新教育，真正实现了使学习者成为创造者。最近几年对创客空间的关注试图理解他们为何如此强大，然后在这些非正式学习空间和正式教育之间架起桥梁。

（3）创客空间面临的挑战

创客空间是21世纪的重要学习领域，但目前创客空间大多存在于正规教育环境之外，因此帮助教师理解如何在正式和非正式的学习空间之间架起桥梁是至关重要的，这也将是一个巨大的挑战。但是，在创客空间等技术丰富的环境中，以新型教学方式作支撑有效使用编程工具，是培养k-12学习者习得“计算思维”的有效途径。

三、对我国培养中小学生“计算思维”的启示

现代社会全面素质教育的重要组成部分之一便是致力于培养学习者信息素质的信息技术教育。“计算思维”的作用在国内日益凸显，很多学校也已经开始注重学习者“计算思维”的培养。然而，目前国内基础教育阶段的计算机科学课程仍然处于计算机和课堂整合的最低水平。初中和高中的学生不学习如何编程，而是学习计算机应用程序，如Microsoft Office、数据库程序、创建网站的编写，以及如何使用计算机控制的绘图或加工技术等，这些课程被称为“信息技术教育”[19]。我国对中小学阶段学习者“计算思维”的培养仍有许多不足之处，而美国促进k-12学习者习得“计算思维”的理念与策略给我国提供了很多借鉴之处。

1.创新教学方式

目前我国虽然认识到了“计算思维”的重要价值，但培养方式还是以各种工具的学习和训练为主，在对“计算思维”的认知和培养方法上还需要更深层次的认识、更大力度的改革，必须认识到“计算思维”培养最核心的任务在于思维和解决问题能力的训练。单纯的技术引入，对于学习者的“计算思维”的培养并不会有明显的促进作用。这就对培养“计算思维”的方式提出了要求，既不能是传统的老师讲学生听的授课方式，也不能单纯地讲授具体编程过程，应该在尊重学习者主体性的基础上进行开放型、灵活型、创新型教学，教师仅提供观点，学生自主探索是学习过程中的主要内容，学生利用自己的计算机软件开发工具搜集信息、分析信息、解决问题，最大限度地保证学习者的主体性。

2.建立具体的培养体系

“计算思维”并不是一蹴而就的，而是长久养成的一种思维方式和能力。“计算思维”的培养方式也不是一成不变的，应该与学习者的年龄相适应。CSTA与ISTE联合推出的“案例指南”中用案例描述了k-12学生在不同年龄阶段需要掌握“计算思维”能力水平的具体行为参考表。而在我国，“计算思维”是融合在信息技术课程中的，并没有独自成为一个体系。虽然信息技术课程是培养学习者“计算思维”的重要途径，但并不是唯一途径，两者是不可等同的。对于“计算思维”的培养应该强调一体化和阶段性，针对不同年龄阶段学习者“计算思维”的培养，应该有不同的教学方式、工具以及制定确切的能力标准，而不应该仅仅包含于信息技术课程标准之中。

3.转向实证研究

相对于美国的实证和案例研究，国内关于“计算思维”的研究主要以理论探索为主。比如，“计算思维”的定义、重要价值以及在信息技术素养中的核心地位和如何在信息技术课程中引入“计算思维”等。对于培养“计算思维”的途径也多是与原来的教学方法相结合，对于促进“计算思维”培养的效果不明显。应该由理论研究转向实证研究，将“计算思维”独立于信息技术课程，用观察、访谈、实验等方式开发专属于“计算思维”培养的教学模式。

4.增强教师信息素养

信息素养是指信息意识、信息伦理道德修养和主动高效地获取信息与处理信息的能力。“计算思维”是多种思维的综合体，培养过程无可避免会涉及到多个领域，单纯的计算机专业已经不能保证教师的信息素养，而让教师掌握所有领域的知识是不现实的。但教师必须具有优秀的信息素养，潜移默化地影响学习者，系统化的教师信息素养培训必不可少，提高教师信息素养，才能有效培养学习者习得“计算思维”。

参考文献

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[19] Information Technology Education Association.（2007）.Standards for technological literacy：content for the study of technology.Reston，VA：Information Technology Education Association.

[作者：楊晓（1971-），女，山西运城人，陕西科技大学教育学院，教授，博士;高雅（1995-），女，河北沧州人，山西师范大学教育科学学院，硕士生。]

【责任编辑 郭振玲】