国际视阈下跨学科整合计算思维的课程模式研究*

2022-12-28徐紫娟炕留一

现代教育技术 2022年12期

张瑾徐紫娟朱珂炕留一

张瑾1徐紫娟2朱珂1[通讯作者]炕留一1

（1．河南师范大学教育学部，河南新乡 453007；2．西北师范大学教育科学学院，甘肃兰州 730070）

计算思维作为信息社会发展的产物，越来越趋向大众化和普适化，许多国家纷纷将计算思维进行跨学科整合以进一步推动这一趋势的发展。然而在此背景下，国内外对于跨学科整合计算思维的理论认识和实践应用尚缺乏较为系统的梳理分析。因此，文章首先从理论上阐明跨学科整合计算思维的内在机理，然后过渡到实践，对比分析国际上典型的跨学科整合计算思维的三种课程模式，最后从实践落实的角度提出不同课程模式下的实践路径。文章从理论和实践两个维度分析了国际上跨学科整合计算思维的理论意义和实践价值，并对比分析典型课程模式和实践路径的优劣与适用范畴，以期为我国开展跨学科整合计算思维的理论和实践提供借鉴。

计算思维；计算思维教育；跨学科整合；课程模式；实践路径

引言

每一个时代的思维方式都是一种历史发展的产物，在不同的时代具有迥异的形式，并促使人们在所处的时代予以掌握[1]。如今，随着信息技术的爆发、迭代，计算被确立为所有学科门类普适的研究范式之一，计算思维由此成为各学科应对信息技术时代算法化挑战的重要法宝，并被认为是每个公民都应具备的基本素养[2]。

为促进计算思维的普及与发展，各国纷纷将学校作为培养计算思维的第一阵地，并将计算思维跨学科整合到学校各级各类课程，在具体的课程教学中落实计算思维教育。目前，国内外有关跨学科整合计算思维的研究主要集中在以下方面：①教学课程开发方面，Rubinstein等[3]将计算思维与生命科学结合，开发了一门全新的本科非正式课程“生命科学家的计算方法”（Computational Approaches for Life Scientists）；汪红兵等[4]开发了以计算思维为导向的大学C语言程序设计课程。②教学模式设计方面，Sengupta等[5]提出了整合计算思维和K-12科学教育的理论框架；周红平等[6]建构了以计算思维、STEM工程设计学科内容知识以及教学法三者的整合为核心的教学模式，并在小学开展了实证研究；张学军等[7]设计并开展了人工智能案例驱动的Python编程教学模型，来培养高中生的计算思维。③教学活动开展方面，Waterman等[8]提出了将计算思维整合到小学科学课程的实践活动框架；Leonard等[9]通过开发一个融合舞蹈编排、计算机编程和虚拟环境的活动程序来培养高中生的计算思维。

综合已有的研究来看，国内外学者对于跨学科整合计算思维的研究涵盖了大、中、小学不同阶段的程序设计、科学、人工智能和STEM等课程，通过具体的课程教学来完成计算思维的培养。然而，鲜有研究对“计算思维为什么能够与不同的学科进行整合？”“与不同学科整合的课程模式有哪些？”“这些课程模式又该如何实施与发展？”等问题进行系统回应，这导致不同学段、不同学科的教师在开展计算思维教育过程中存在一知半解、缺乏创新的情况。基于此，本研究从学科的视角切入，通过明晰跨学科整合计算思维的内在机理，分析国际上跨学科整合计算思维的课程模式及实践路径，以期为我国开展跨学科整合计算思维的理论和实践提供参考。

一跨学科整合计算思维的内在机理

为探究跨学科整合计算思维的课程模式，首先要理解计算思维的发展和跨学科整合计算思维的内涵，从理论上厘清计算思维的存在形态和跨学科整合计算思维的真正意蕴。

1 计算思维

早在1989年，《计算作为学科（）》这一报告就已涉及有关计算思维的相关论述[10]，但其内容相对模糊，因此并未引起业界关注。直到2006年，周以真[11]首次系统阐述了“计算思维”的概念，认为计算思维是一种利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的思维方式，自此计算思维正式进入研究者的视野。近年来国内外陆续推出的一些文件也都提到有关计算思维的概念，体现了各国对于计算思维的关注。如2017年，美国非营利组织数字承诺研究所发布的《计算世界的计算思维（）》报告，从计算实践的角度给出了计算思维的定义，认为计算思维是解决问题的通用方法[12]；2019年，联合国教科文组织在发布的《教育中的人工智能：可持续发展的挑战与机遇（）》中强调，计算思维不仅属于计算机科学领域，也是普遍适用于其他学科的一种能力[13]；2022年，我国发布义务教育新一轮的课程标准，首次将信息科技作为义务教育阶段的一门独立课程，明确了计算思维作为信息科技课程核心素养的导向作用，并指出计算思维是指个体运用计算机科学领域的思想方法，在问题解决过程中涉及的抽象、分解、建模、算法设计等思维活动[14]；此外，经济合作与发展组织教育2030项目（简称“OECD2030”）将计算思维划分为学习者未来需要具备的六大复合能力之一，认为计算思维包括提出和开发可通过计算机技术实施的解决方案，并将其内容融入许多国家课程改革的目标和内容之中[15]。从计算思维的发展和相关定义可以看出，计算思维虽然源于计算学科，但随着数字化时代的不断发展，计算思维已经不单单是计算学科关注的重点，而是逐渐渗透至各学科领域，成为一种普适化的方法或能力。

2 跨学科整合计算思维

“跨学科”一词由美国哥伦比亚大学心理学教授Woodorth于1926年提出，是指跨越一门学科边界而进行的涉及两个或两个以上学科的实践活动[16]。跨学科整合计算思维在本研究中意指打破计算学科和传统学科之间的壁垒，将计算思维以某种形态整合到其他学科教学中的一系列实践活动，不仅关注计算思维的培养，也关注学习者在其他学科方面的表现。

二跨学科整合计算思维的课程模式

从理论上来看，跨学科整合计算思维能够改变传统分科教育泾渭分明的特点，能够更好地满足计算时代社会对学习者的新要求，以培养学习者应对未来挑战、适应社会发展、解决现实问题的能力。同时，在具体的课程实践中，跨学科整合计算思维也形成了不同的课程模式。参照被广泛引用和认可的信息技术与课程整合的三种模式[17]后，本研究在认为国际上跨学科整合计算思维的课程模式可以归纳为学科本位型、学科辅助型和学科拓展型三种类型。

1 学科本位型课程模式

学科本位型课程模式以传授计算思维的基本知识为目的，将计算思维整合到与计算学科高度相关的课程。国际上采取该课程模式的代表国家有英国、波兰和澳大利亚，这些国家对该模式的建立与应用起步较早，同时系统也相对完善，均倾向于将计算思维作为一门独立课程的内容进行讲授。

（1）面向计算思维培养的计算机科学课程

1999年，波兰开设了一门计算机科学课程，较为系统地开展了计算思维教育。该课程分为小、中、高三个阶段：1～3年级将计算活动融入到阅读、写作、绘画、游戏等线下活动，4～6年级逐渐使用计算机来支持各学科的学习，7～9年级开始关注对学习者的算法、计算思维能力以及其他方面能力的培养，10～12年级则帮助学习者利用计算思维认识、理解和分析现实生活中存在的问题。波兰计算机科学课程中计算思维的培养是循序渐进的，在培养初期的小学阶段，并未指明计算思维的学习内容，而是将其深入到各类活动中进行培养，在中、高阶段则具体规定了计算思维的学习内容和学制安排[18]。此外，波兰还成立了计算机科学教育标准和认证程序，为支持计算机科学课程教师的发展和更好的计算机科学教学做出了准备。

（2）面向计算思维培养的计算课程

2014年，英国对课程进行改革，将计算思维纳入国家计算课程，取代了已有的信息与通信技术课程，是少数没有将编程作为学科特征，而将计算思维作为独立学科培养目标的国家之一。英国将计算课程面向的学习者年龄分成5～7岁、7～11岁、11～14岁和14～16岁四个阶段，在每个阶段结束之前，学习者都应理解、掌握和应用不同的计算思维知识。在具体培养过程中，教师主要是将计算思维概念化，通过提取计算思维的核心概念（如分解、抽象、归纳等），将其与学习者具体的课堂行为相联系。同时，英国也通过创建学校计算工作小组（Computing at School，CAS）为教师提供教学资源、教学培训和教学指导，提高计算课程教师数量和教师质量，为计算课程改革和计算思维培养的顺利实施提供条件支撑[19]。英国对于计算思维的培养不仅体现在课程名称的修改，更为重要的是，其培养理念和内容的改革大大提高了计算思维在正规课程中的地位，也为计算思维之后融入其他学科奠定了基础。

（3）面向计算思维培养的技术课程

2015年，澳大利亚将技术作为中小学的一门独立课程，并将其分为设计与技术、数字技术两大主题，其中数字技术主题涉及如何使用计算思维和信息系统实施解决方案。在数字技术主题的具体教学中，1～2年级的学习者通过参与一些引导性游戏，理解真实世界和虚拟世界之间的关系，以及简单问题的解决在数字世界中的重要性；3～6年级的学习者开始使用可视化编程软件学习编程基础概念，被引导以进一步理解技术带来的变化，包括技术对家庭和社区等领域的影响，并能够研究和交流更复杂的问题；7～10年级的学习者则逐渐使用编程语言来解决更加复杂的社会问题和创建数字解决方案，被引导考虑更广泛的道德和社会因素。澳大利亚技术课程培养计算思维的独特之处在于，创新性地将计算思维培养融入学习者创建和实施解决方案的过程中，并灵活地开展针对技术课程的教学计划，如1～8年级学习技术课程，9～10年级的学习权则交由各学校依据学习者特点独立决定[20]。

2 学科辅助型课程模式

辅助型课程模式是指在计算学科以外的其他课程教学中，将计算思维视为学习工具来辅助学习者更好地掌握课程内容。近年来，随着学科辅助型课程模式的迅速发展，韩国、新西兰和芬兰在计算思维教育方面处于领先地位，积极探索了将计算思维作为学科学习的“元认知”方法，并取得了较为显著的成效。

（1）计算思维赋能软件教育课程

2015年，韩国在各级教育中引入软件教育计划，旨在帮助学习者成为具有计算思维能力的创造性人才。被选做试点的小学每年需开展至少17个学时的软件相关课程，中学至少34个学时，高中则通过选修课来学习相关内容。软件教育课程在低年级“轻松有趣”，教师使用不插电的方式和可视化编程语言来激发学习者对编码和软件的兴趣。随着学习者年龄的增长，软件教育课程内容变得越来越抽象，包括物理计算、算法和计算机编程。在大学阶段，学校通过增加对非计算机科学专业学习者的基础软件教育，为学习者提供更多机会，让他们同时主修计算机科学和非技术领域[21]。在开展软件教育的同时，韩国教育部通过建立软件教育平台、启动学期资助计划和成立志愿者社群等方式，为更多学习者提供参与软件教育的机会，并通过对大量的中小学教师进行专门的软件教育培训，为软件教育的开展奠定基础。

（2）计算思维赋能数学和工艺课程

芬兰是欧洲第一个进行跨学科编程教育的国家。2016年，芬兰开始实施新的国家课程标准，将算法思维与计算思维同义使用，其定义为“概括开放式问题解决方案的过程”。根据新的国家课程标准，1～9年级的数学和3～9年级的工艺课程中明确提到了编程，其中数学课程注重编程和解题，关注计算思维和问题解决能力的培养；工艺课程则需要学习者掌握编程技术，发挥创作能力。从小学到初中，从数学到工艺，从可视化编程到文本编程，芬兰专注于将计算思维进行跨学科整合，并建立由浅入深、循序渐进的课程体系[22]。目前，计算思维教育思想已几乎完全渗透于芬兰学校教育中的每一门学科[23]。此外，芬兰国家教育委员会以及教育和文化部还通过资助项目、标准引导和专项计划举措，全方位支持教师将计算思维融入各学科教学活动中。

（3）计算思维赋能数字技术课程

自2018年起，数字技术被完全纳入新西兰课程和毛利语言国家课程，包含五个新的领域：数字技术的计算思维、数字成果的设计和开发、材料成果的设计和开发、加工成果的设计和开发以及设计和视觉传达。该课程面向新西兰1～13年级的所有学习者，其中在数字技术的计算思维领域，学习者需要理解所有数字技术背后的计算机科学原理，学习核心编程概念，成为数字技术的创造者，而不仅仅是使用者。具体来说，在小学阶段，学校主要为学习者提供“不插电”资源来支持数字技术的计算思维教学；在中学阶段，课程则开始逐渐引入可视化编程软件和基于文本的编程语言，如果11～13年级的学习者对数字技术有兴趣，也可以选修该学科的专业内容，进而更早地选择和确定未来的职业方向。此外，为了更好地支持数字技术课程的开展，新西兰教育部还投入大量资金来资助相关项目，并组建虚拟学习网、免费在线开源网站为教师提供信息资源和支持服务[24]。

3 学科拓展型课程模式

拓展型课程模式是指在非正式课程中将计算思维作为一种社会生存技能进行整合。这种整合模式具有较大的灵活性，目前开展该模式的国家并不多，其中做法相对具有创新、内涵较为丰富的是新加坡的开放性课程。

2014年，新加坡发起“智慧国家”（Smart Nation）倡议行动，建立了新的计算课程教学框架（如图1所示）和学习生态系统（如图2所示），旨在为从学龄儿童到成人阶段的范围群体引入和发展计算思维技能和编程能力[25]。其中，计算课程教学框架规定了学习者需要掌握的计算思维内容；学习生态系统则围绕教学框架确立课程内容及开展形式，在整个生态系统中，每个主体都对学习者学习兴趣的开启和维持发挥了重要作用，通过学习生态系统为学习者提供学习资源、教学指导和绩效评估。

图1 新加坡计算课程教学框架

图2 新加坡计算课程学习生态系统

新加坡并没有将计算课程作为统一的必修内容，而是针对不同学龄段培养学前、小学和中学生对编程和计算技能的兴趣[26]。本研究总结其特点具体为：①对于计算思维的讲授由各学校决定，每所学校根据学习者的需要和教师的意愿选择加入课程；②相比使计算机成为义务教育的一部分，选择从小就开始培养学习者的兴趣；③为培养教师的逻辑思维、算法思维、问题解决和编程技能，对其提供专业发展方面的支持；④多方机构共同努力以培养学习者的计算思维技能，如信息通信媒体发展局（Info-Communications Media Development Authority，IMDA）、新加坡科学中心等之间的协同合作。

学科本位型课程模式代表了计算思维融入课程的萌芽阶段，标志着各国开始重视学习者计算思维的培养，该模式主要依托计算机类课程，对教师的计算思维知识储备要求很高，通常由专门的计算机学科教师讲授，同时需要学校提供大量的相关资源，但该模式对于学习者自身的关注不够。学科辅助型课程模式代表了计算思维融入课程的探索阶段，标志着各国对学习者计算思维培养的进一步完善，该模式需要教师深度理解学科体系以及学科方法论之间的区别和联系，同时需要不同学科教师之间高度配合，开始逐渐关注学习者的自身发展和社会教育公平问题。学科拓展型课程模式代表了计算思维融入课程的发展阶段，标志着各国对学习者计算思维培养的开放性尝试，该模式需要学校、社区、教师等多方协同发展，高度关注对学习者学习兴趣的培养，重视学习者面向未来的计算思维能力的应用。

三跨学科整合计算思维的实践路径

在不断开展的教育实践中，跨学科整合计算思维的课程模式形成了与之相对应的三类实践路径，具体如下：

1 借助编程工具整合计算思维

学科本位型课程模式涉及的学科多与计算相关，尚未脱离编程对于计算思维培养的作用，因此主要借助编程工具来完成计算思维在相关学科中的整合。常见的编程工具主要分为可视化编程类和语言开发类，这两类工具均对应一定的特点，研究者在实践过程中常结合自身需求和研究对象进行选择[27]，具体如下：①可视化编程类工具。该类工具比较适合幼儿园和小学阶段的学习者，因其简单易学和操作便捷的特点而备受喜爱，常见的有LOGO、Alice和Scratch。低龄学习者可以借助这些工具来绘制图案、建立模型和创建项目等，通过简单的代码块完成他们想要制作的任何东西，从而掌握基本的计算思维入门知识。②语言开发类工具。该类工具比较适合高年级的学习者，他们已具备一定的抽象思维能力，并能够借助工具完成更加复杂的编程问题，常见的是Python、Java和C语言。这类工具可基于对象、可面向过程或可开源使用，能够满足不同学习者的学习需求，并更深层次地促进学习者对计算思维知识的掌握。

在借助编程工具整合计算思维的过程中，我国教师一方面应注重学习者的身心发展，除软件操作外，还要创造更多不插电的活动来完成学习者计算思维的培养；另一方面应注重学习者计算思维培养的连贯性，在不同阶段选择不同的工具将计算思维融入学习者的学习过程中。

2 结合学科任务整合计算思维

相对于学科本位型课程模式而言，学科辅助型课程模式涉及计算学科之外的其他诸多学科，为此，计算思维通常结合其他学科任务来整合到课程各环节，具体有如下几种策略：①创设问题情境，探究解决方案。基于问题的学习能够帮助学习者通过具体的学科问题情境设定自己的学习目标，自行探索问题解决方案。在此过程中，学习者需要发挥其计算思维能力，进而加深对学科知识的理解。②引导项目策划，制定研究计划。项目的完成通常具有一定的挑战性，需要学习者具备问题解决、活动策划和实践调查等能力。在计算思维与其他学科整合的过程中嵌入不同难度的实践项目，能够促进学习者在项目完成过程中计算思维能力的应用。③建立协作关系，合作完成任务。在整合课程学习过程中，经常涉及学习者合作学习完成学科任务，协商、分享和解决与任务相关的内容。例如，在小学数学课程中，教师可以让学习者通过小组合作的方式，完成用可视化编程软件绘制一系列对称图形的任务。

在结合学科任务整合计算思维的过程中，我国要立足国情，分批次将计算思维与不同学科任务进行整合，稳步推进，逐步推广。同时，跨学科整合计算思维具有一定的灵活性，因此教师要大胆创新与尝试，不断探索具有不同学科特色的整合方式。

3 以行动为导向整合计算思维

学科拓展型课程模式最具开放性和丰富性，更需要研究者以行动为导向整合计算思维，继而推动计算思维走向更加实践化的一条道路，其中比较有代表性的方式有如下：①依托硬件设备，助力实践操作。例如，教师可以通过设计和编程机器人设备为学习者提供关于其程序功效的即时、具体的反馈，使学习者在使用机器人系统过程中，了解其设计、编程、测试和调试的周期，促进其计算思维和动手能力的培养。②借助游戏教学，丰富学习体验。游戏作为一种以学习者为中心的教学方法，包含许多问题解决的特征，如未知的结果、通向目标的多条路径、问题背景的构建、多人协作等，并且其中还添加了一些竞争和机会的元素，能够帮助学习者在建立学习兴趣的基础上更好地完成学习任务。如一款名为AutoThinking的自适应教育计算机游戏，就被应用于课程中来培养学习者的计算思维能力[28]。③发挥语言魅力，激发创新创造。讲故事是一种用语言影响儿童学习的有力工具，部分研究通过讲故事的方式来激发低龄学习者对计算思维的兴趣，鼓励学习者积极参与到故事的复述、吟诵和演唱中。例如，Dietz等[29]开发了语音引导的智能手机应用程序，将讲故事作为一项创造性活动，向5～8岁儿童讲授计算思维概念，培养低龄学习者的计算思维能力。

在开展以行动为导向整合计算思维的过程中，我国要努力开发计算思维教学的实物资源和工具，使理论与实践能够在课堂中同步开展。另外，教师应不断反思和更新自己的教学理念，汲取多方经验和多元方法开展教学，满足学生多样化的学习需求。

四结语

本研究从学科这一宏观视角出发，通过厘清跨学科整合计算思维的内在机理，详细分析了国际上典型的跨学科整合计算思维的课程模式和实践路径，三种课程模式和与之对应的三类实践路径分别代表了跨学科整合计算思维的萌芽、探索、发展阶段，但每一种课程模式和实践路径都不是完全孤立的存在，在具体的教学过程中存在多重交叉和相互融合的关系。为了更好地促进跨学科整合计算思维的理论与实践探索，我国应积极借鉴国外计算思维相关课程改革经验，加大计算思维在各学科的渗透力度；大中小学要协同发展，共同完成计算思维人才的培养；教师应不断提升自身计算思维能力，创新计算思维课堂教学。此外，跨学科整合计算思维也需要家庭、企业、社会等方面的支持，形成跨学科整合计算思维的多元共育新生态。

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Research on the Curriculum Models of Interdisciplinary Integrated Computational Thinking from the Perspective of International Perspective

ZHANG Jin1XU Zi-juan2ZHU Ke1[Corresponding Author]KANG Liu-yi1

As the product of the development of an information society, computational thinking tends to be more and more popular and universal. Many countries in the world have carried out interdisciplinary integration of computational thinking to further promote the development of this trend. However, under this context, there is still a lack of systematic analysis of the theoretical understanding and practical application of interdisciplinary integrated computational thinking at home and abroad. Therefore, this paper firstly clarified the internal mechanism of interdisciplinary integrated computational thinking from in theory, then transitioned to practice and further compared and analyzed three typical international curriculum models of interdisciplinary integrated computational thinking, and finally put forward the practical paths under different curriculum models from the perspective of practical implementation. The article analyzed the theory significance and practice value of the interdisciplinary integrated computational thinking in the world both from theoretical and practical dimensions, and compared the advantages and disadvantages of typical curriculum models and practical paths and their applicable categories, aiming to provide reference and inspiration for the theory and practice of interdisciplinary integrated computational thinking in China.

computational thinking; computational thinking education; interdisciplinary integration; curriculum model; practical path