国内外计算思维教育的研究脉络与实践比较_陈兴冶.pdf

国内外计算思维教育的研究脉络与实践比较陈 兴 冶 张 慧 伦 杨 伊摘 要 计算思维是信息社会所必备的素养，不仅是发达国家课程计划的重要内容，也是我国强国战略所需人才的核心素养。计算思维的培养与形成离不开有效的教学实践，因此国内外针对计算思维教学实践形成了各具特色的研究思路，对于计算思维实践成效的评价也取得了一定的成果。本研究从数量、地区分布、重要成果等多个方面梳理了国内外计算思维教育研究的缘起、发展和趋势的基本脉络。通过对计算思维教育的宏观发展路向、中观的实践活动过程、微观的评价方法和评价工具的比较与研究，厘清了计算思维教育研究的问题与走向。关键词 计算思维教育 研究脉络 教育实践 评价工具作者简介 陈兴冶，博士，上海师范大学博士生导师，上海市实验学校正高级教师、特级教师（上海 200125）；张慧伦，上海师范大学教育学院博士研究生（上海 200234）；杨伊（通讯作者），上海师范大学教育学院讲师，博士（上海 200234）。中图分类号 G4文献标识码 A 文章编号 1009-5896(2023)01-0148-14 计算思维（Computational Thinking）作为信息时代的产物，是一种运用计算工具与方法求解问题的思维活动，是信息社会中每个人都应掌握的思维方式。随着人工智向社会生活的各个领域渗透，应对技术变革对社会所带来的挑战是教育，尤其是计算思维教育的首要任务。普通高中信息技术课程标准（2017 年版）将高中信息技术学科核心素养界定为“在接受信息技术教育过程中逐步形成的信息技术知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观的综合表现”，具体分为信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任等四个核心素养，其中以计算思维最为关键，求解计算机问题所需要的正是计算思维，影响着其他要素发展的质和量，不仅在一定程度上决定了学科核心素养的水平，也直接关系到个人在未来社会的可持续发展水平。解月光,杨鑫,付海东.高中学生信息技术学科核心素养的描述与分级 J.中国电化教育,2017(5):8-14.148一、内涵溯源：计算思维教育的缘起和发展计算思维在国际上被提出可以追溯到 20 世纪 80 年代，麻省理工学院教授西摩派珀特（Seymour Papert）于 1980 年首次提及，1996 年，西摩派珀特在其研究中再次强调，但真正将这一概念带到大众视野并使之受到广泛关注的是卡内基梅隆大学的教授周以真（Jeannette M.Wing），其于 2006 年赋予了“计算思维”较为明确的界定，即运用计算机科学的基础概念和理论进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等一系列思维活动，用以回答计算机科学与人的关系，并于两年后再次发文，指出计算思维将影响到各个领域的每一个人。随着计算思维定义的研究与实践在国内外逐渐升温，对计算思维的解读也呈现出了不同的视角，总体上主要分为两类：一类强调计算思维是一种思维技能。典型的界定如 Hemmendinger 将其视为一种像计算机一样探索、发现、解决问题的能力；Brennan 和 Resnick 则在计算概念、计算实践和计算观念三个维度上解构为 16 个方面的技能。不同于具体化的思维技能，另一类界定放眼于“过程”，即视之为一种思维的过程，不同概念的区别在于对过程抑或步骤的划分。有学者视之为形式化问题的过程、数据驱动的思维过程，以及经历抽象、形式化、构造、自动化的过程。相较而言，国内普通高中信息技术课程标准（2017 年版）为了使计算思维在实际教学中更加容易表征与评价，是以解构为具体能力要素为基点，这与 Selby 和 Woollard 博士提出的“五要素”思路较为接近，包括算法、评估、分解、抽象、概括等五个方面的思维。截至目前，已有 12 个欧盟国家将计算思维纳入义务教育课程。计算思维已在世界范围内被认为是“21 世纪的基本技能”之一和“人类三大科学思维方式”之一。随着计算思维内涵的不断丰富，相关研究的持续推进与发展，受到国内外计算机教育界、社会科学界、哲学界广大学者的激烈讨论，不仅成为发达国家课程计划的重要内容，而且成为我国人才培养及强国战略的重要途径，同时，重视中小学生计算思维培养逐渐成为我国学者和教育行政部门的共识。表 1 归纳了计算思维正式提出后的十年中，在国内外引发高度关国内外计算思维教育的研究脉络与实践比较 Vonche J J.Mindstorms:Children,Computers and Powerful IdeasJ.Pergamon,1983,1(1):87.Papert S.An Exploration in the Space of Mathematics EducationsJ.International Journal of Computers for MathematicalLearning,1996,1(1):95-123.Wing J M.Computational ThinkingJ.Communications of the ACM,2006,49(3):33-35.Wing J M.Computational Thinking and Thinking about ComputingJ.Philosophical Transactions A:Mathematical,Physical andEngineering Sciences,2008,366(1881):3717-3725.Hemmendinger D.A Plea for ModestyJ.ACM Inroads,2010,1(2):4-7.Brennan K,Resnick M.New Frameworks for Studying and Assessing the Development of Computational ThinkingC.The2012 Annual Meeting of the American Educational Research Association,2012:1-25.Aho A V.Computation and Computational ThinkingJ.The Computer Journal,2012,55(7):832-835.王飞跃.面向计算社会的计算素质培养:计算思维与计算文化 J.工业和信息化教育,2013(6):4-8.王荣良,卢文来.计算思维：行进中的挑战 J.中国信息技术教育,2017(6):4-10.朱珂,贾彦玲,冯冬雪.欧洲义务教育阶段发展计算思维的理论与实践研究 J.电化教育研究,2019(9):89-121.149注的相关政策和事件。综合以上分析，20 世纪末 21 世纪初，欧美发达国家就较为重视计算思维的培养，一个重要的表征就是陆续颁布了计算思维教育的相关标准、政策和课程计划。国内关于计算思维教育起步虽晚于国外，但进入 2010 年后伴随着科技的发展，计算思维作为核心技能之一逐渐被国内教育智库、行政部门所关注，因此国内外在总的研究历程上存在差异。研究起步、研究历程、研究传统的差别必然带来“计算思维教学实践”的差异，特别是计算思维评价路径和工具的差异。本研究将从研究历程的对比出发，对国内外计算思维研究的宏观历程、中观实践和微观的有效性评价进行分析与探讨。表 1 计算思维进入课程计划的重要事件梳理国家/组织时间事件和政策要点国 外欧洲工业界及科学界2007召开“思维科学：欧洲的下一个政策挑战”会议，强调计算思维的重要性美国计算机学科教师协会（CSTA）2011推出“K-12计算机课程标准”，标志计算思维正式进入课程标准2016“CSTA K-12计算机科学框架”的课程内容将“计算思维”置于五方面内容的核心位置英国2013“新课程计划”将计算思维作为其新信息技术课程的重要内容，提出高质量的计算机课程教育能培养学生计算思维和创造力，使其理解和改变世界澳大利亚2015“新课程方案”将计算思维作为其新信息技术课程的重要内容欧盟委员会联合研究中心2016发布在义务教育阶段发展计算思维研究报告新媒体联盟（New MediaConsortium）和美国高校教育信息化协会学习项目2017 NMC地平线报告：2017基础教育版指出，计算思维是21世纪中小学教育的重要课题，是学生必须熟练掌握的基本技能国 内C9高校联盟2010 C9计算机基础教学发展战略联合声明强调，“把培养学生计算思维能力作为高校计算机教学的一项重要的、长期的和复杂的核心任务”教育部2012教育部以培养计算思维为重点，推动大学计算机课程改革教育部高等学校计算机课程教指委2013发表计算机教学改革宣言，旨在通过培养学生计算思维的意识和方法，提高计算机应用水平教育部2017 普通高中信息技术课程标准（2017年版）将计算思维作为信息技术学科核心素养之一国务院2017 新一代人工智能发展规划提出“完善人工智能教育体系，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育”教育部2022计算思维作为信息技术学科核心素养写入义务教育信息科技课程标准（2022年版）Journal of Comparative Education01Feb 2023150二、发展脉络：国内外计算思维教育研究历程计算思维在当今社会发展中起着举足轻重的作用，分析相关文献发现，计算思维教育是国家意志、社会发展以及个体发展的共同体现，自提出后在国内外学界迅速发展。（一）国外计算思维教育研究的发展动态国外研究者较早意识到计算思维是未来社会不可或缺的素养，“走向低龄化”是国外计算思维教育和研究的重要特征，体现在研究对象的覆盖面上，涵盖所有阶段的学生。譬如，英国 K-12 所有学生要依据年级学习包括计算思维在内的计算机科学概念。在具体实施中，将计算思维与问题解决、人工智能等核心技能与技术进行深度融合是国外计算思维教育中较为普遍的做法，如新西兰将计算机科学列为高中阶段的必修科目，包括编程算法、人机交互、人工智能和计算机图形学等具体内容。在研究成果数量增长趋势和分布方面，笔者统计分析了自 2006 年正式提出计算思维概念开始至 2022 年 11 月 30 日，Web of Science 核心数据库中收录的篇名包含“Computational Thinking”的期刊论文，共有 804 篇符合要求。根据趋势初步分析发现，国际上关于计算思维的研究从 2015 年起出现了明显的增长，关于计算思维的培养研究与实践在世界各地持续升温，并且由高等教育领域向中小学教育转移。英国、美国、新加坡、韩国、土耳其和中国等都启动了计算思维教育实践和研究项目，有的国家甚至将计算思维教育纳入国家教育战略。统计结果还显示，计算思维是横跨教育学、计算机科学的研究议题，同时也受到心理学等邻近学科的影响。其中教育学领域（Education Educational Research）研究数量占到了74.8%，计算机科学领域（Computer Science）研究数量占到了 41.8%。研究成果的地域分布呈现“涉及范围广、数量悬殊、话语权集中”的特征。美国学者的研究多达 240 篇，占总发表量的 29.7%；中国以 160 篇（19.8%）位居第二；土耳其以93 篇（11.5%）位居第三。除此之外，关注该主题研究的国家和地区还有土耳其、巴西、韩国、英国、希腊等国（见图 1）。计算思维研究在国际上的蓬勃发展很大程度上依赖于专注该领域的团队和有一系列较大影响力的研究。Yadav 研究团队是取得较多成果的团队之一，2014 年该团队对计算思维开始了早期的探索，较早阐述了计算思维的内涵，对其要素进行解构并与其他学科融合，国内外计算思维教育的研究脉络与实践比较 朱亚宗.论计算思维：计算思维的科学定位、基本原理及创新路径 J.计算机科学,2009,36(4):53-55.Finish National Board of Education.Curriculum Reform in FinlandEB/OL.(2018-01-13)2020-05-18.http