趙蔚 李士平等

摘要：計算思維是信息時代每個人都應(yīng)具備的基本素養(yǎng)，是計算機(jī)科學(xué)的核心思想。STEM教育則是計算思維培養(yǎng)與計算機(jī)科學(xué)教育的重要途徑之一。該文通過對2016美國《K-12計算機(jī)科學(xué)框架》的解讀及其核心概念、核心實(shí)踐、實(shí)施過程的梳理，挖掘計算思維培養(yǎng)在中小學(xué)計算機(jī)科學(xué)教育中的重要性，以及STFM教育在節(jié)約時間與師資、減輕學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)荷、強(qiáng)化知識技能等方面的作用，并在此基礎(chǔ)上提出了該框架對我國中小學(xué)信息技術(shù)教育的幾點(diǎn)啟示，以期能夠緩解目前計算機(jī)科學(xué)應(yīng)用普及化與教育邊緣化間的矛盾，使學(xué)生能夠獲取最優(yōu)化的學(xué)習(xí)途徑，真正成為未來的創(chuàng)造者。

關(guān)鍵詞：計算思維；計算機(jī)科學(xué)；STEM

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、引言

從算盤到現(xiàn)今的智能手機(jī)，計算已經(jīng)從諸多方面改變了世界，包括教育、文化、經(jīng)濟(jì)等，并將仍然持續(xù)改變著。計算機(jī)科學(xué)作為一個具有高實(shí)用價值與強(qiáng)推動力的學(xué)科，其教育目的除了造就單純的計算機(jī)技術(shù)工作者外，相應(yīng)思維方式、問題解決方式、創(chuàng)造方式的滲透與培養(yǎng)也不容忽視。

計算思維是計算機(jī)科學(xué)實(shí)踐的核心，是21世紀(jì)數(shù)字公民的一項基本素養(yǎng)。美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授提出，計算思維是運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題解決、系統(tǒng)設(shè)計與人類行為理解的過程。計算思維提供了一種能夠廣泛應(yīng)用于工作、學(xué)習(xí)和生活中的組織與分析問題的新視角，同時它可以連結(jié)計算機(jī)科學(xué)與其他學(xué)科知識領(lǐng)域，突破了專業(yè)知識技能與思想的局限，促使學(xué)習(xí)者進(jìn)行技術(shù)使用者到創(chuàng)造者的角色轉(zhuǎn)變。但在現(xiàn)有的教育體制中，計算思維的培養(yǎng)并未得到應(yīng)有重視；作為計算思維主要培養(yǎng)途徑的計算機(jī)科學(xué)教育也面臨著課程監(jiān)管與師資儲備等多方面問題。因此，美國計算機(jī)科學(xué)協(xié)會（ACM）、計算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會（CSTA）、網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新中心（CIC）、國家數(shù)學(xué)與科學(xué)計劃中心（NMSI）針對州、地區(qū)和學(xué)校計算機(jī)科學(xué)教育供需不匹配的狀況，于2016年指導(dǎo)并發(fā)布了《K-12計算機(jī)科學(xué)框架》（以下簡稱《框架》）。其目的是剖析計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展與教育情況，通過推進(jìn)STEM教育等方式，促進(jìn)學(xué)科問的融合，借助數(shù)學(xué)、科學(xué)等傳統(tǒng)學(xué)科的優(yōu)勢，緩解目前計算機(jī)科學(xué)課程監(jiān)管不完善、專業(yè)教師缺乏等問題。STEM教育注重學(xué)生創(chuàng)新思維與實(shí)踐能力的培養(yǎng)，與《框架》精神不謀而合。另外，通過STEM教育，可以在一定程度上節(jié)約學(xué)習(xí)時間，減少多學(xué)科中重復(fù)學(xué)習(xí)共同主題而帶來的認(rèn)知負(fù)荷。

《框架》體現(xiàn)了相關(guān)組織機(jī)構(gòu)對學(xué)生參與計算機(jī)科學(xué)學(xué)習(xí)的愿景。從小學(xué)、初中到高中，學(xué)生逐步奠定計算機(jī)科學(xué)知識基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)問題解決的新方法，以便運(yùn)用計算思維的力量，成為計算機(jī)技術(shù)的使用者與創(chuàng)造者。《框架》涉及對象廣泛，包括1到12年級、甚至高校的不同種族、性別、健康情況的學(xué)生；目標(biāo)明確，為各地區(qū)計算機(jī)科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)的具體制定提供參考與指引；內(nèi)容詳盡，對計算機(jī)科學(xué)涉獵范圍及各年級預(yù)期達(dá)到的水平進(jìn)行詳細(xì)分析與描述，響應(yīng)社會、學(xué)生與家長對計算機(jī)科學(xué)教育的訴求?！犊蚣堋返奶岢鲇欣谔嵘嬎銠C(jī)科學(xué)教育與應(yīng)用水平，使所有學(xué)生都能積極參與計算機(jī)科學(xué)的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，并用計算機(jī)科學(xué)的思維與方法創(chuàng)新性地解決問題。本文通過對《框架》的解讀及其核心概念、核心實(shí)踐、實(shí)施過程的梳理，挖掘美國計算機(jī)科學(xué)教育的培養(yǎng)目標(biāo)與方式，為我國中小學(xué)信息技術(shù)教育的開展提供借鑒與參考。

二、發(fā)布背景

《K-12計算機(jī)科學(xué)框架》是以現(xiàn)有政策文件為基礎(chǔ)，以美國當(dāng)前教育研究與實(shí)踐情況為考量，為解決計算機(jī)科學(xué)教育未得到充分發(fā)展的現(xiàn)實(shí)狀況與社會對計算機(jī)科學(xué)強(qiáng)烈需求間的矛盾而開發(fā)的。

首先，德國、波蘭和新西蘭等國家的計算機(jī)科學(xué)框架為該框架涉及的核心概念與實(shí)踐提供了基準(zhǔn)，而2016新版《美國學(xué)生教育技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》則為該框架的制定提供了借鑒。該標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)了學(xué)生在整個學(xué)習(xí)生涯的每個年齡層次應(yīng)獲得的技能與應(yīng)達(dá)到的水平，具體包含7個方面：有主動權(quán)的學(xué)習(xí)者、數(shù)字公民、知識建構(gòu)者、創(chuàng)新設(shè)計者、計算思維者、創(chuàng)造性的溝通者、全球合作者。其思想、理念與《框架》相輔相成，均注重學(xué)生計算思維、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)及信息時代基本素養(yǎng)與意識的形成。

其次，該框架與國家認(rèn)可的《K-12科學(xué)教育框架》相一致。計算機(jī)科學(xué)框架與其他學(xué)科框架并行實(shí)施，相互作用。因此，該框架需參照其他學(xué)科相關(guān)文件，綜合考量教育中涉及的要素，協(xié)調(diào)構(gòu)建?！禟-12科學(xué)教育框架》提出三個維度，即核心概念、科學(xué)與工程實(shí)踐、橫切概念。《K-12計算機(jī)科學(xué)框架》在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，保持維度定義的相似性，支持各學(xué)科的協(xié)同與發(fā)展；并且關(guān)注計算機(jī)科學(xué)本身的特點(diǎn)，強(qiáng)化學(xué)科特色。

另外，2015年計算機(jī)科學(xué)被定義為美國總統(tǒng)奧巴馬簽署的《讓每個學(xué)生成功法》中“全面教育”的一部分?？梢?，計算機(jī)科學(xué)對信息時代學(xué)生的發(fā)展至關(guān)重要。據(jù)統(tǒng)計，運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的工作大部分薪酬高、發(fā)展快，并且社會需求量大。而計算機(jī)科學(xué)本身是2010年以來所有STEM領(lǐng)域成長最快的學(xué)科之一，也受到學(xué)生家長的廣泛認(rèn)可。美國大多數(shù)父母希望孩子所在學(xué)校能夠提供計算機(jī)科學(xué)教育，且認(rèn)為學(xué)習(xí)計算機(jī)科學(xué)與學(xué)習(xí)閱讀、寫作、數(shù)學(xué)同等重要。然而在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生了解計算機(jī)科學(xué)概念與實(shí)踐的機(jī)會非常有限，許多學(xué)生只能等到高中才接觸相應(yīng)課程，且內(nèi)容覆蓋面與縱深度難以匹配社會需求。

《K-12計算機(jī)科學(xué)框架》通過一系列概念與實(shí)踐來展示計算機(jī)科學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容。核心概念代表計算機(jī)科學(xué)的主要領(lǐng)域，核心實(shí)踐代表與核心概念相關(guān)的學(xué)習(xí)者行為。對這些概念與實(shí)踐進(jìn)行設(shè)計與整合，從而能夠?yàn)閷W(xué)生參與計算機(jī)科學(xué)學(xué)習(xí)提供真實(shí)、有意義的體驗(yàn)。

三、《框架》解讀

《K-12計算機(jī)科學(xué)框架》在《K-12科學(xué)教育框架》三個維度劃分的基礎(chǔ)上，將橫切概念整合到每個核心概念的學(xué)習(xí)進(jìn)程中，形成核心概念與核心實(shí)踐的二維模式，如圖1所示，從而使其更易理解與實(shí)現(xiàn)。

（一）核心概念

《框架》的核心概念包含計算系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)與分析、算法與程序、計算的影響五部分，主要解決“學(xué)什么”的問題。每個核心概念劃分為多個與之緊密相關(guān)的子概念，如下頁表1所示，通過子概念展開對核心概念的描述。如數(shù)據(jù)與分析包含收集、存儲、可視化和轉(zhuǎn)換、推理和模型四個子概念，《框架》分別對這四個子概念的含義、問題、能力要求等進(jìn)行說明，將各獨(dú)立細(xì)化的說明聚合起來，即形成了對核心概念數(shù)據(jù)與分析的解釋。計算思維關(guān)注利用計算機(jī)科學(xué)解決問題的能力，這種能力既表現(xiàn)為“結(jié)構(gòu)分解、實(shí)體抽象、模型建設(shè)”等應(yīng)用特征，也包括“明確問題、設(shè)計方案、實(shí)施反饋、修訂完善”等一股性解決問題方法。由核心概念及其子概念的關(guān)聯(lián)可以看出，該框架的構(gòu)建有利于計算思維的培養(yǎng)。

1.核心概念的細(xì)化分解

抽象與分解是運(yùn)用計算思維完成復(fù)雜任務(wù)或設(shè)計復(fù)雜系統(tǒng)時常用的方法。分解即為將任務(wù)拆分為更簡單的任務(wù)，使其模塊化，以及將簡單任務(wù)組合起來以創(chuàng)建復(fù)雜任務(wù)。核心概念分解為子概念，供學(xué)生進(jìn)行模塊化學(xué)習(xí)；達(dá)到一定知識水平后，再根據(jù)其相互關(guān)聯(lián)進(jìn)行系統(tǒng)性的問題分析與解決，有利于學(xué)習(xí)者知識技能的掌握與計算思維水平的提升。以算法與編程為例，在低年級時，學(xué)生可以從算法、變量等相對獨(dú)立、細(xì)小的部分著手，建立對算法與編程的基本認(rèn)識，隨著學(xué)習(xí)的進(jìn)步，學(xué)生能夠辨別與歸納問題解決范式，重新組合現(xiàn)有知識與方案，利用一般的、可重復(fù)使用的方案來處理常見問題。

2.核心概念的橫向聯(lián)結(jié)

橫切概念即為多個核心概念問的聯(lián)結(jié)，具體表現(xiàn)為同一個有意義詞多次出現(xiàn)在不同核心概念的描述中，如表2中“抽象”“系統(tǒng)關(guān)系”等詞多次出現(xiàn)在《框架》對每個核心概念的闡述中，反映出各核心概念教學(xué)中共同關(guān)注的目標(biāo)或重點(diǎn)，表明各核心概念問具有一定交叉性與一致性，是核心概念的橫向聯(lián)結(jié)。該框架將橫切概念整合到核心概念的學(xué)習(xí)進(jìn)程中，未設(shè)立單獨(dú)的第三維度。學(xué)習(xí)進(jìn)程描述了學(xué)生對核心概念及其子概念從基本理解轉(zhuǎn)向精細(xì)認(rèn)知的過程，按學(xué)段劃分為1-2年級、3-5年級、6-8年級、9-12年級，每個學(xué)段的學(xué)生在各核心概念領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)達(dá)到不同目標(biāo)。因此，《框架》對核心概念及其子概念的描述按學(xué)段進(jìn)行了細(xì)化與分解，進(jìn)而精準(zhǔn)地提取出各部分的橫切概念，如表2所示。根據(jù)其出現(xiàn)的頻次列出前五個分別為抽象、系統(tǒng)關(guān)系、人機(jī)交互、隱私與安全、交流與協(xié)作。

由表2可知，隨著學(xué)習(xí)進(jìn)程的推進(jìn)，學(xué)生在各方面涉及的橫切概念整體呈增多趨勢。也就是說，學(xué)生對各方面內(nèi)容的掌握愈發(fā)深入，同時關(guān)注的目標(biāo)與學(xué)習(xí)的方式方法也愈發(fā)全面。在9-12年級的學(xué)習(xí)進(jìn)程中，與計算系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)與分析、算法與編程、計算的影響五方面關(guān)聯(lián)的橫切概念均包含抽象；且根據(jù)《框架》整體的詞頻統(tǒng)計，抽象一詞出現(xiàn)在橫切概念的首位。由此可見，抽象作為計算思維的常用方法，是計算機(jī)科學(xué)教育主要培養(yǎng)目標(biāo)之一。

抽象是將某一過程或某一信息集合簡化，只保留某些重要特征以便計算處理的方法。通過去除個別化屬性、提取公共要素來概括多種情境或事物，從而創(chuàng)建普適性方案。培養(yǎng)學(xué)生的抽象能力，有利于促進(jìn)其知識遷移。在實(shí)際學(xué)習(xí)與生活中，學(xué)生運(yùn)用抽象能夠快速提取事物的關(guān)鍵特征，并與其他事物建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)制定合理的解決方案。

3.核心概念的探究培養(yǎng)

《框架》指出，在計算機(jī)科學(xué)教育中，應(yīng)鼓勵學(xué)生進(jìn)行主動探究，而非填鴨式教學(xué)。如在計算系統(tǒng)這一核心概念的學(xué)習(xí)中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生積極發(fā)現(xiàn)實(shí)際生活中計算系統(tǒng)出現(xiàn)的故障，在力所能及的范圍內(nèi)進(jìn)行排查，分析是何種原因引起的，進(jìn)而探索問題的解決方案并通過實(shí)踐檢驗(yàn)方案的合理性。這一過程伴隨學(xué)生計算思維的培養(yǎng)，同時也是計算機(jī)科學(xué)教育的必要方式。

（二）核心實(shí)踐

《框架》的核心實(shí)踐描述了接受計算機(jī)科學(xué)教育的學(xué)生參與核心概念學(xué)習(xí)的行為和思維方式。概念與實(shí)踐相融合，從而為學(xué)習(xí)計算機(jī)科學(xué)的學(xué)生提供完整的體驗(yàn)。核心實(shí)踐包括七部分：（1）培養(yǎng)包容的計算文化；（2）圍繞計算進(jìn)行協(xié)作；（3）識別和定義計算問題；（4）形成并運(yùn)用抽象；（5）創(chuàng)造計算產(chǎn)品；（6）測試與改善計算產(chǎn)品；（7）針對計算進(jìn)行交流。七個核心實(shí)踐的順序循環(huán)即展示了計算產(chǎn)品的開發(fā)過程。計算思維是計算機(jī)科學(xué)實(shí)踐的核心，其中實(shí)踐（3）、（4）、（5）、（6）分別對計算思維進(jìn)行了闡釋，如圖2所示，而實(shí)踐（1）、（2）、（7）則是對計算機(jī)科學(xué)的另外補(bǔ)充。

無論是問題解決抑或系統(tǒng)設(shè)計，計算思維的運(yùn)用基本反映為“明確問題—設(shè)計方案—實(shí)施反饋—修訂完善”的系列過程。實(shí)踐（3）、（4）、（5）、（6）就是這一過程的具體展現(xiàn)。12年級結(jié)束時，學(xué)生在各實(shí)踐方面都應(yīng)具備一定能力。下面將以“學(xué)生學(xué)習(xí)交流系統(tǒng)開發(fā)”為例進(jìn)行說明。

1.明確問題——識別和定義計算問題

識別合適時機(jī)應(yīng)用計算的能力是需要經(jīng)過長期培養(yǎng)的。欲利用計算的方法解決問題，需預(yù)先定義問題、將問題模塊化、對每一模塊進(jìn)行評估，從而辨別該問題是否適合應(yīng)用計算機(jī)科學(xué)方法或計算思維方式進(jìn)行解決。如，當(dāng)今時代的學(xué)生課余學(xué)習(xí)時間較多，學(xué)習(xí)內(nèi)容較豐富，但由于缺少學(xué)習(xí)同伴也存在某些交流方面的問題?；诖耍嘲嗤瑢W(xué)要開發(fā)一個在線學(xué)習(xí)交流系統(tǒng)，首先，該班學(xué)生明確他們要解決的問題是“通過系統(tǒng)開發(fā)實(shí)現(xiàn)在線學(xué)習(xí)與交流”；其次，他們需將系統(tǒng)開發(fā)分解為多個模塊，再針對每個模塊進(jìn)行分析與判斷，進(jìn)一步評估系統(tǒng)開發(fā)的可行性。

2.設(shè)計方案——形成并運(yùn)用抽象

學(xué)生研究現(xiàn)有的在線學(xué)習(xí)交流系統(tǒng)，歸納總結(jié)它們共有的屬性，并能夠?qū)@些屬性進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)其優(yōu)點(diǎn)與不足，從而摒除現(xiàn)有系統(tǒng)中存在的問題，借鑒其精華，將某些屬性整合到自己的設(shè)計中，構(gòu)建自己的抽象模型與設(shè)計方案。同時，學(xué)生也應(yīng)具備模擬系統(tǒng)的能力，利用已有模型模擬系統(tǒng)的運(yùn)行，以便更深入探索與評價系統(tǒng)的功能。運(yùn)用抽象也就是使用普遍化的解決方案簡化復(fù)雜事物開發(fā)的過程。

3.實(shí)施反饋——創(chuàng)造計算產(chǎn)品

這一實(shí)踐是上述模型或方案的具體實(shí)施。當(dāng)然，計算產(chǎn)品不僅包括軟件、系統(tǒng)等顯性內(nèi)容，也包括解決計算性問題的創(chuàng)新理念等隱性內(nèi)容。計算產(chǎn)品可以通過兩種方式完成，一是組合和修改已有產(chǎn)品，二是開發(fā)新產(chǎn)品。就學(xué)習(xí)交流系統(tǒng)開發(fā)而言，學(xué)生可以在現(xiàn)有的相關(guān)開源系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)與完善，使其滿足自身需求；也可以完全按照自己的想法從初始進(jìn)行創(chuàng)建。無論哪種方式，都要求學(xué)生具備制定計劃與實(shí)際操作的能力。

4.修訂完善——測試與改善計算產(chǎn)品

正確的測試與修改是提高產(chǎn)品質(zhì)量的一個關(guān)鍵過程。系統(tǒng)測試甚至投入使用后，學(xué)生在學(xué)習(xí)與交流中會發(fā)

現(xiàn)新的問題或產(chǎn)生新的需求，整合大家反饋的信息不斷進(jìn)行改進(jìn)，才能使系統(tǒng)更完善，獲得最佳的學(xué)習(xí)效果與交流體驗(yàn)。

從上述核心實(shí)踐可以看出，美國1-12年級計算機(jī)科學(xué)教育為學(xué)生計算思維的培養(yǎng)打下了堅實(shí)基礎(chǔ)。該框架指出：計算思維可廣泛應(yīng)用于科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)（STEM），以及藝術(shù)與人文等多個學(xué)科；反之，《框架》提倡基于STEM教育進(jìn)行計算思維的培養(yǎng)，如圖3所示。美國國家科學(xué)基金會贊助的Bootstrap和GUTS項目致力于將計算機(jī)科學(xué)與數(shù)學(xué)、科學(xué)課程整合，且研究結(jié)果表明，學(xué)生可以在數(shù)學(xué)和科學(xué)課程中兼顧計算機(jī)科學(xué)概念與實(shí)踐的學(xué)習(xí)以及計算思維的培養(yǎng)。核心概念與核心實(shí)踐是《K-12計算機(jī)科學(xué)框架》的主要組成部分，二者結(jié)合形成計算機(jī)科學(xué)的教育標(biāo)準(zhǔn)，《框架》與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對計算思維的培養(yǎng)與STEM教育的實(shí)施具有重要指導(dǎo)與促進(jìn)作用。同時，計算思維對人們學(xué)習(xí)、生活、工作的重要性及STEM教育多學(xué)科融合的特性則在一定程度上影響著計算機(jī)科學(xué)核心概念與核心實(shí)踐的選擇。

計算思維是計算機(jī)科學(xué)教育的核心之一，同時也被包含在其他學(xué)科的教育標(biāo)準(zhǔn)中。例如，在美國多個州的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)中明確提及計算思維，在數(shù)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)中也進(jìn)行了間接影射。表3展示了計算機(jī)科學(xué)（CS）、科學(xué)與工程（S）、數(shù)學(xué)（M）在實(shí)踐中的交叉。其中多次出現(xiàn)與計算思維相關(guān)的實(shí)踐，在計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)為CS（3）、CS（4）、CS（5）、CS（6），在科學(xué)與工程領(lǐng)域表現(xiàn)為S（1）、S（2）、S（3）、S（5）、S（6），在數(shù)學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)為M（2）、M（4）、M（7）、M（8）。而在此表的三種整合方式中，計算機(jī)科學(xué)、科學(xué)與工程、數(shù)學(xué)的共同整合明顯涵蓋更廣泛的實(shí)踐，能夠激發(fā)學(xué)生更多的學(xué)習(xí)行為；對計算思維培養(yǎng)與運(yùn)用也更顯著。由此可見，將各學(xué)科進(jìn)行不同形式整合，基于STEM形式開展計算機(jī)科學(xué)教育更有利于學(xué)生計算思維水平的提升。

（三）《框架》實(shí)施

計算機(jī)科學(xué)迎合了目前跨學(xué)科教育發(fā)展的趨勢，在教學(xué)中，幾乎所有其他學(xué)科都可以與計算機(jī)科學(xué)整合，包括數(shù)學(xué)、科學(xué)、藝術(shù)、語言、社會科學(xué)、體育等。該框架在對計算機(jī)科學(xué)的核心概念與核心實(shí)踐進(jìn)行闡述基礎(chǔ)上，也對具體實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)施途徑進(jìn)行了說明，強(qiáng)調(diào)計算機(jī)科學(xué)與其他學(xué)科整合及其在其他學(xué)科中的應(yīng)用，尤其注重與科學(xué)、數(shù)學(xué)的綜合探究，為STEM教育的發(fā)展提供了更開闊的空間與更具化的指引。

1.實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)

該框架作為各州、各地區(qū)中小學(xué)開發(fā)計算機(jī)科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)而被設(shè)計出來，它通過對K-12年級計算機(jī)科學(xué)基本內(nèi)容與形式的闡述，為各地區(qū)教育標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)提供指南，允許不同地區(qū)的不同學(xué)校在此基礎(chǔ)上針對自身教育情況進(jìn)行個性化設(shè)計與開發(fā)。標(biāo)準(zhǔn)在計算機(jī)科學(xué)教育的實(shí)施方面發(fā)揮著重要作用，通過設(shè)置具體的學(xué)習(xí)目標(biāo)和預(yù)期結(jié)果使計算機(jī)科學(xué)變得大眾化。所有學(xué)校都將為不同學(xué)段、不同水平的學(xué)生提供實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的機(jī)會，使他們獲得完整的計算機(jī)科學(xué)知識與體驗(yàn)。

該框架在標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)建議中指出，計算機(jī)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)要與數(shù)學(xué)、科學(xué)等其他學(xué)科標(biāo)準(zhǔn)相匹配。也就是說計算機(jī)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與其他學(xué)科標(biāo)準(zhǔn)建立聯(lián)系，以便教學(xué)中更好地融合，為學(xué)生提供連貫的教育體驗(yàn)。例如，若三年級計算機(jī)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)中需要結(jié)合的數(shù)學(xué)知識，直到五年級在數(shù)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)中才涉及，那么三年級教師需要將這一知識添加到計算機(jī)科學(xué)課程，而五年級教師也需要再次教授這一知識。課堂學(xué)習(xí)時間有限，重復(fù)的內(nèi)容學(xué)習(xí)會在一定程度上造成時間的浪費(fèi)與負(fù)荷的增加。通過STEM形式對各學(xué)科進(jìn)行趨利式整合，有益于教學(xué)的開展與學(xué)生的進(jìn)步。當(dāng)然，整合并不意味著兼并，針對某些知識的教學(xué)，計算機(jī)科學(xué)作為獨(dú)立課程存在同樣可行。

2.實(shí)施條件

教師是教育的基本要素，是教學(xué)順利開展的基本條件?！犊蚣堋分赋?，獲得正式認(rèn)證的美國計算機(jī)科學(xué)教師人數(shù)很少，而在教師培訓(xùn)計劃中，增加計算機(jī)科學(xué)教師人數(shù)是最困難的。由此可見，美國計算機(jī)科學(xué)教師人數(shù)短缺。STEM教育為多學(xué)科問的協(xié)作提供了機(jī)會，同時可以減少學(xué)校對特定計算機(jī)科學(xué)教師的需求，增加了學(xué)生接觸計算機(jī)科學(xué)的機(jī)會。

另外，通過教師培訓(xùn)計劃，相關(guān)部門為教師提供更多計算機(jī)科學(xué)方面的知識，使他們能夠?qū)⑵浼{入實(shí)際教學(xué)中?！犊蚣堋穼θ绾螛?gòu)建教師培訓(xùn)計劃進(jìn)行了補(bǔ)充，以期教師能夠教授多個學(xué)科或?qū)⒂嬎銠C(jī)科學(xué)融入其他學(xué)科。伊利諾伊州立大學(xué)的一個計算機(jī)科學(xué)教育計劃，即與數(shù)學(xué)教育專業(yè)整合，進(jìn)而作為職前教師的學(xué)習(xí)者可以獲得雙重認(rèn)證。將計算機(jī)科學(xué)內(nèi)容納入所有教育專業(yè)的必修課程，則可以使所有職前教師都接受計算機(jī)科學(xué)教育。例如，普渡大學(xué)教育系將為期一周的計算思維課程納入中小學(xué)相關(guān)專業(yè)的必修課程。通過計算思維理念的學(xué)習(xí)，教師可以更好地將其整合到其他學(xué)科教學(xué)中，運(yùn)用于其他學(xué)科的問題解決過程，也有利于提升教師培養(yǎng)學(xué)生計算思維的意識。

3.實(shí)施途徑

該框架對中小學(xué)計算機(jī)科學(xué)教育的實(shí)施途徑進(jìn)行了概括。其中小學(xué)與初中（1-8年級）的教學(xué)形式一般更為靈活，可通過在通用技術(shù)或藝術(shù)課程中插入計算機(jī)科學(xué)的教學(xué)單元來展開，也可開設(shè)獨(dú)立的計算機(jī)科學(xué)課程，以及將計算機(jī)科學(xué)與其他學(xué)科內(nèi)容融合，以STEM形式進(jìn)行綜合教學(xué)。高中（9-12年級）則必須面對具有不同計算機(jī)科學(xué)學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)、水平不等的學(xué)生，教學(xué)實(shí)施過程中，除了根據(jù)教學(xué)內(nèi)容與學(xué)校自身條件選擇恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)形式，還要注意學(xué)習(xí)難度的區(qū)分。如，將計算機(jī)科學(xué)課程或包含計算機(jī)科學(xué)的STEM課程分為基礎(chǔ)探究、中度探究、廣泛和深入探究三個層次，基礎(chǔ)由低到高的學(xué)生分別參與對應(yīng)層次的課程學(xué)習(xí)，以便進(jìn)行個性化與適應(yīng)性教學(xué)。

由此可見，該框架在重視計算思維培養(yǎng)的同時，亦關(guān)注STEM教育為中小學(xué)教師與學(xué)生帶來的助益。除了節(jié)省時間與資源，STEM教育中學(xué)生多采用探究的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，樹立多學(xué)科不同事物、方法間的聯(lián)動意識，體驗(yàn)從發(fā)現(xiàn)問題到解決問題的完整過程，與計算思維的培養(yǎng)與應(yīng)用理念相一致，能夠增強(qiáng)學(xué)生的記憶與遷移能力。

四、《框架》啟示

當(dāng)今時代，計算機(jī)科學(xué)日新月異，簡單的操作能力培養(yǎng)已難以適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的節(jié)奏，創(chuàng)新能力與問題解決能力等核心素養(yǎng)的形成應(yīng)作為教育關(guān)注的重點(diǎn)。我國高中信息技術(shù)新課標(biāo)中，界定信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)要素為信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任，與《框架》具有較高一致性。因此，針對計算思維、創(chuàng)新能力等核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，美國計算機(jī)科學(xué)教育的實(shí)施為我國提供了借鑒與啟示。

（一）融合STEM教育，拓展計算思維培養(yǎng)空間

我國中小學(xué)信息技術(shù)作為獨(dú)立課程，教學(xué)一般圍繞自身知識內(nèi)容展開，教師布置的任務(wù)大多通過簡單的計算機(jī)操作即可完成，學(xué)生需要進(jìn)行深入思考與探究性實(shí)踐的機(jī)會較少。而發(fā)現(xiàn)問題、解決問題是計算思維的主要內(nèi)容，因此，針對計算思維需要進(jìn)一步拓展培養(yǎng)空間，挖掘信息技術(shù)教學(xué)新形式?！犊蚣堋诽岢嬎銠C(jī)科學(xué)與數(shù)學(xué)、工程、科學(xué)等多學(xué)科整合，通過STEM促進(jìn)計算機(jī)科學(xué)教育的開展與學(xué)生計算思維能力的提升。STEM教育能夠豐富學(xué)習(xí)活動，增強(qiáng)學(xué)習(xí)任務(wù)的探索性與實(shí)踐性，使學(xué)生的計算思維得到充分發(fā)揮與發(fā)展。例如，將智能機(jī)器人的設(shè)計、編程、制作作為STEM教育內(nèi)容之一，使每位學(xué)生都有機(jī)會參與，而非僅作為競賽內(nèi)容供興趣小組學(xué)習(xí)。設(shè)計需根據(jù)機(jī)器人的功能需求進(jìn)行精細(xì)數(shù)學(xué)計算；編程是信息技術(shù)基本內(nèi)容；制作則可根據(jù)設(shè)計的模型，運(yùn)用3D打印技術(shù)等生成或組合產(chǎn)品，涉及工程學(xué)的運(yùn)用。該學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生對相關(guān)知識技能、思維方法的掌握更深入，易于應(yīng)用與遷移。

（二）多學(xué)段多年級聯(lián)動，構(gòu)建計算思維培養(yǎng)體系

我國小學(xué)、初中、高中信息技術(shù)課程中，Word、Excel、PowerPoint及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等內(nèi)容重復(fù)率較高，且學(xué)段之間難度梯度較小，內(nèi)容基礎(chǔ)性強(qiáng)。美國《框架》強(qiáng)調(diào)各學(xué)段各年級計算機(jī)科學(xué)教育間的連貫性，明確規(guī)劃了從小學(xué)到高中每一階段學(xué)生應(yīng)達(dá)到的目標(biāo)，內(nèi)容難度逐漸提升。各學(xué)段各年級的統(tǒng)一規(guī)劃、聯(lián)合培養(yǎng)使美國學(xué)生計算思維能力與知識技能水平逐步提升，在高中畢業(yè)后可完成基本的計算機(jī)故障排除、數(shù)據(jù)收集與處理、程序開發(fā)與設(shè)計等。綜合考慮學(xué)生思維發(fā)展過程，整體設(shè)計不同學(xué)段的教學(xué)方案與學(xué)生應(yīng)達(dá)到的目標(biāo)，協(xié)調(diào)構(gòu)建信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)，有利于形成完整的信息技術(shù)課程知識與計算思維培養(yǎng)體系，減少教師與學(xué)生時間的浪費(fèi)，優(yōu)化教學(xué)效果。

（三）創(chuàng)設(shè)仿真環(huán)境，完善計算思維培養(yǎng)過程

《框架》的核心實(shí)踐解釋了一個相對完整的計算思維過程，即明確問題、設(shè)計方案、實(shí)施反饋、修訂完善?？梢?，計算產(chǎn)品的實(shí)施與改進(jìn)亦是計算思維培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。但由于客觀條件的限制，實(shí)施反饋與修訂完善在實(shí)際教學(xué)中常被簡化或忽略，實(shí)現(xiàn)真正產(chǎn)出與應(yīng)用的學(xué)生作品較少。對此，我國中小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中，可運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)為學(xué)生創(chuàng)設(shè)模擬環(huán)境，使其了解作品是否與預(yù)期目標(biāo)相匹配，如在仿真環(huán)境中智能機(jī)器人能否按照預(yù)設(shè)路線繞過障礙物。通過提供仿真環(huán)境，學(xué)生可完成針對作品的客觀評價與改進(jìn)，能夠完善計算思維的培養(yǎng)過程，同時節(jié)約資源。而在之后的學(xué)習(xí)與生活中，學(xué)生會更注重將自身的想法付諸實(shí)踐，有利于創(chuàng)造性產(chǎn)品的形成與創(chuàng)造能力的提升。