計算機科學視角下中美大學先修課程之比較與分析 譚靜儀 Bao Cheng Pan

摘要：中美貿(mào)易戰(zhàn)的爆發(fā)進一步說明了科技興國的重要性與緊迫性。根據(jù)我國教育改革與發(fā)展的需要，推進高中培養(yǎng)模式的多樣化、促進中學與大學的銜接等成為近年來高中課改的一個重要方面。在此背景下，國內(nèi)進行了本土化的大學先修課程的試點。而計算機科學在近年成為美國、中國乃至全世界大學教育的新熱點。該文主要探討該科目（計算機科學原理）的特點、內(nèi)容以及由此浮現(xiàn)的美國與中國在中學計算機教學政策、內(nèi)容、理念的差異以及由此得到的啟發(fā)和努力的方向。

關(guān)鍵詞：大學先修課;計算機科學;計算機教育;中學信息教育;中美比較

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）33-0145-05

在人工智能、大數(shù)據(jù)發(fā)展勢如破竹的今天，掌握了計算機科學，就等于掌握了“未來的語言”。據(jù)不完全統(tǒng)計，80%的工科課程會用到計算機相關(guān)技能，不僅如此，理科、金融、經(jīng)濟等學科也越來越重視計算機編程技術(shù)的應(yīng)用。不同學科和技術(shù)融合所激發(fā)出的創(chuàng)造力和活力引領(lǐng)這個時代的發(fā)展潮流。一個國家信息化發(fā)展程度也已經(jīng)成為衡量其國力強弱的重要標準。

《國家中長期教育改革與發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》中指出，中國的高中教育改革應(yīng)“推進小學、中學、大學有機銜接”“深入推進課程改革”“推進培養(yǎng)模式多樣化”。在該政策的引導(dǎo)下，高考改革等相關(guān)工作的持續(xù)開展，中國的大學先修課程體系也已逐漸萌芽，創(chuàng)建。雖然，大學先修課程早已成為許多發(fā)達國家教育體系的重要組成部分，但他們也同樣有過中學大學教育的斷層時期。本文將從計算機科學視角出發(fā)，以美國、中國為例，先分別對兩國大學計算機先修課程的基本內(nèi)容及其特點進行介紹，再對比中美在計算機科目的課程評估、課程目標、內(nèi)容等方面的主要差異。最后在文末討論我國大學計算機先修課程所面臨的挑戰(zhàn)和改革的方向。

1美國大學計算機先修課程

1.1美國大學先修課程體系

美國先修課程（Advanced Placement簡稱AP）考試的官方命題機構(gòu)是College Board，即美國大學理事會。美國大學理事會（The College Board）是非營利性任務(wù)為導(dǎo)向的教育組織，其宗旨是幫助學生更好的準備進入高等教育階段的學習并獲得成功。大學理事會至今已有逾百年歷史，目前，已有超過六千個會員，包括世界頂級的中小學、學區(qū)、大學，及其他教育組織。

AP項目包括AP課程和AP考試。AP課程，難度和內(nèi)容相當于大一的基礎(chǔ)課程，有三十多門可選科目，在學習完相關(guān)課程后參加AP考試，所考成績可作為大學認可學分。

近年，已有四十多個國家的近四千所大學承認AP學分為其入學參考標準，以及對應(yīng)科目考試成績作為考生大學學分，例如帝國理工、牛津、劍橋、哈佛、耶魯?shù)仁澜珥敿壌髮W。據(jù)統(tǒng)計，擁有優(yōu)異AP考試成績的高中生在未來的大學學習往往有著更加出色的表現(xiàn)和發(fā)展，AP成績也被看作是衡量學生學習和研究能力以及應(yīng)付高難度大學課程能力的重要指標之一。

CollegeBoard對各分數(shù)的定義如表1：

若學生在AP考試中獲得4分或5分，學校將有理由相信其有能力在大學課程的學習中取得良好以上的成績。相反，若學生只考了1分或2分，學校將認為他（她）在該科目上并沒有達到大學入學水平。

1.2美國計算機先修課程的興起與發(fā)展

1.2.1美國大學先修課程的發(fā)展史

第二次世界大戰(zhàn)后，考慮到中等教育學生的準備工作與高等教育的需求之間存在差距，福特基金會成立了促進教育發(fā)展基金。該基金資助了兩個項目，第一個是由三所精英預(yù)科學校以及美國最著名的三所大學一一哈佛、普林斯頓和耶魯共同促成的：敦促中小學和大學視自己為“共同事業(yè)的兩部分”。

項目鼓勵高中招募有才華的教師來設(shè)計高級課程，課程將有資格獲得雙高中/大學學分，并將其推廣給頂尖高中高年級學生。此類項目還鼓勵大學和高中共同努力，創(chuàng)建無縫集成的課程，促進學生輕松過渡到大學。1952年，一個11門學科的試點項目啟動。1955年，美國大學理事會接管了該項目，并正式授予該項目為“大學理事會預(yù)修課程”。第一年，102所高中的1229名學生參加了AP課程，130所大學接受了AP學分。到2013年，大學理事會批準的AP課程增加了兩倍，達到34門，涉及藝術(shù)、英語、歷史和社會科學、數(shù)學和計算機科學、世界語言和文化等領(lǐng)域。

2014年，奧巴馬簽署了“ESSA（Every Student SucceedsAct每位學生都成功法案）”。從那時起，美國掀起了一場全國范圍的計算機科學教育新浪潮。在該法案中，計算機科學被強調(diào)與數(shù)學、英語等必修學科地位同等重要。美國計算機協(xié)會CEO Bobby Schnabel評論：“將計算機科學寫入ESSA是重要的里程碑”。一些美國學者更是將當年稱為“計算機科學元年”。

而作為美國本地“高考”、或國際學生留美申請的大熱門專業(yè)，相對應(yīng)的，其大學先修課程（Advanced Placement）體系中也有相應(yīng)的計算機科學（Computer Science）課程。近年來，除了原先的Computer Science A，AP課程還新增了計算機科學原理（AP Computer Science Principles）。

在計算機科學原理科目于2016年正式發(fā)布之前，比較少的學生能在STEM（即科學（Science），技術(shù)（Technology），工程（En-sineerinz），數(shù)學（Mathematics）四門學科英文首字母的縮寫）課程中取得特別優(yōu)秀的成績一一尤其是女生和農(nóng)村的學生。

而AP計算機科學原理成為目前AP史上最流行的一門課，大量來自各種學科背景的學生為拓寬就業(yè)機會選修這門課并投入到計算機科學的學習，可以說計算機科學原理（ComputerScience Principles）是高中AP計算機科學選修人數(shù)劇增背后的驅(qū)動力。

選修AP計算機科學原理（Computer Science Principles）課程的學生將學習計算機科學的基本概念，探索計算機和技術(shù)如何影響世界。該課程教授編程和計算機原理;并不要求學生有編程基礎(chǔ)。

2007年，有20041名學生參加了AP計算機科學考試，到2016年，這個數(shù)字已經(jīng)增長到57937人，在2017年，這個數(shù)字上升到了103797人。到2018年，這個數(shù)字又迅速增長至135992人。如圖1所示：

如果用時間序列算法對該數(shù)據(jù)進行預(yù)測，可得到明年、后年該趨勢仍然為遞增的估計。

2018年參加AP計算機科學考試的女生人數(shù)較去年增加了39%，較前年增長了183%。2017年為27395人，2018年為38195人。而參加AP計算機科學原理（Computer Science Princi-ples）考試的女生從2017年的13328人增加到2018年的22721人，增幅高達70%。此外，在AP計算機科學原理（ComputerSci-ence Principles）考試中取得3分或3分以上成績的女生人數(shù)增加了66%。

參加AP計算機科學考試的農(nóng)村學生從2017年的10007人增加到2018年的14194人，增幅42%。農(nóng)村學生參加AP計算機科學原理（Computer Science Principles）的人數(shù)增長最多，從2017年的5045人增加到2018年的8705人，增幅73%。在AP計算機科學原理（Computer Science Principles）考試中獲得3分以上的農(nóng)村學生比去年增加了59%。

新的AP計算機科學原理課程的普及與學生考試成績的成功密不可分?？傮w而言，74.5%的學生在2017年AP計算機科學原理（Computer Science Principles）考試中獲得3分或以上（如前所述，5分非常優(yōu)秀，3分合格，可計人大學學件）的成績。AP計算機科學考試的成績與預(yù)期一致，有時甚至超出預(yù)期。

除了美國本土學生參考人數(shù)逐年上升之外，世界范圍內(nèi)人數(shù)眾多的留學生大軍也成為AP項目的主力軍。目前全世界范圍內(nèi)共有3800所高中提供AP計算機科學原理（Computer Sci-ence Principles）課程的教學。

1.3美國大學先修課程計算機學科的學習內(nèi)容、特點與評估方式

AP計算機科學原理（Computer Science Principles）主要教授的是計算機科學中的核心概念以及計算機思維模式，為此AP計算機科學原理（Computer Science Principles）還設(shè)置了7大課程核心突出AP計算機科學原理（Computer Science Principles）的重要性——課程核心內(nèi)容包括如下7個要點：

（1）創(chuàng)造性：學生將使用計算機科學的技術(shù)或工具創(chuàng)造有趣以及相關(guān)的數(shù)字作品（例如：視頻，動畫或者程序等）。

（2）抽象：抽象在計算機科學中具有非常重要的作用，在該部分，學生將通過抽象來對世界進行建模，進行人機互動。

（3）數(shù)據(jù)和信息：數(shù)據(jù)與信息有助于知識的創(chuàng)造，在該部分，學生將學會如何處理數(shù)據(jù)并且將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為信息和知識。

（4）算法：學生將在該部分，通過一門計算機語言來學習算法并且應(yīng)用算法。

（5）編程：學生將學習編程的基本概念，以及應(yīng)用于一系列項目。

（6）互聯(lián)網(wǎng)：學生將了解互聯(lián)網(wǎng)是如何運作的，互聯(lián)網(wǎng)的特征以及互聯(lián)網(wǎng)安全。

（7）全球影響：學生將分析計算機對于世界的影響。

以上提及的AP計算機科學A（Computer Science A）和AP計算機科學原理（Computer Science Principles）都是AP計算機系列中的一門課程，主要內(nèi)容與計算機相關(guān)。它們的具體情況如下：

（1）學習內(nèi)容

AP計算機科學A（Computer Science A）課程，以JAVA語言為基礎(chǔ)，學習計算機的基本知識，了解JAVA語言的特點，學習計算機編程語言，學習面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的思想以及簡單的算法。主要教授學生如何通過Java來進行編程以及解決問題。

AP計算機科學原理（Computer Science Principles）課程，則教授更為廣泛以及基礎(chǔ)的計算機知識，并且導(dǎo)師可以在課程中自主選擇編程語言。通過AP計算機科學原理（Computer Sci-ence Principles）的學習，學生能夠了解計算機科學的概貌、內(nèi)容、研究方法、計算機原理，以及更高級的內(nèi)容一例如大數(shù)據(jù)的處理與計算，互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)安全。

（2）教學思想

AP計算機科學原理（Computer Science Principles）更專注于計算機思維以及計算機應(yīng)用能力的培養(yǎng)，該課程相比于AP計算機科學A（Computer Science A）會涉及更多的計算機知識并且不會限制計算機語言，給導(dǎo)師和學生更多的自主權(quán)。

AP計算機系列課程說明了未來世界里代碼的重要性，而AP此次增加的計算機科學原理（Computer Science Principles）新課程，從另一方面說明越來越多的美國大學重視計算機科學（Computer Science）的綜合應(yīng)用。

（3）考核方式

AP計算機科學A（Computer Science A）的考試在年末，包括兩個部分：L9）section 1：單選題40道，一共90分鐘;section 2：簡答題4道，一共90分鐘。

AP計算機科學原理（Computer Science Principles）的考試包括：課程期間的兩個項目報告以及年末考試（均為不定項選擇題）。

當然，美國除了AP課程之外，還給高中生提供了其他各種各樣的先修課程一例如IB：IB課程全稱為國際預(yù)科證書課程onternational Baccalaureate Diploma Programme），是1968年由國際文憑組織（IBO）為世界范圍的高中生設(shè)計的為期兩年的文憑課程。IB課程難度較大，是極具水平的世界通用預(yù)科文憑，也因此被譽為世界名校敲門磚。這些高中先修計劃能夠很好地滿足高中學生更深層次的學習、探索需求，提前培養(yǎng)專業(yè)人才。

2我國中學計算機教學與大學的銜接

2.1我國大學先修課程體系

可以看到，美國大學先修課程已有近70年的發(fā)展歷史，已經(jīng)形成了比較完整的課程體系，并且取得全球范圍內(nèi)很多高校的廣泛認可。

相較之下，中國大學先修課程由于正處于發(fā)展起步階段，則出現(xiàn)了比較分散的狀況，即高校中還未形成統(tǒng)一認證的考試標準。目前，受到關(guān)注較多的有以下3個：

三個先修課體系的具體情況分別如下：

（1）中國教育學會針對目前我國基礎(chǔ)教育和高等教育之間銜接存在斷層的情況，聯(lián)合國內(nèi)多所知名大學、一流高中及教育科研服務(wù)機構(gòu)共同組織實施大學先修課程試點項目。目前并未將計算機納入考試科目行列，但可找到較多的線上計算機課程。CAP試點項目考試在每年的4月和10月舉行。在全國27個省自治區(qū)直轄市有41個考點。

（2）AC中設(shè)有計算機相關(guān)科目的課程以及考試，總體上采取中學教師授課形式，由北京大學各學科專家對中學授課老師進行課程培訓(xùn)。開設(shè)課程的中學選派相關(guān)科目教師參加，培訓(xùn)后頒發(fā)證書。證書類型分初級、高級兩種，初級教師培訓(xùn)由北京大學聯(lián)合各地大學理事會高校共同開展，通過初級教師資格考核的老師可申請參加高級培訓(xùn)班?？荚囆问剑撼坝嬎愀耪摗睘樯蠙C考試外，其余科目均為紙筆考試。

（3）中國大學先修課（CAP）：在其線上課程中，未能找到相關(guān)計算機的視頻課程，也并未將計算機科目納入考試范圍。理事會每年舉辦兩次線下考試，主要學習及考試的科目包括微積分、生物學等7門。

可以發(fā)現(xiàn)，在上述的三個主流體系中，計算機都未列為考試科目，僅設(shè)置了少量在線課程或線下課程。在CAP（中國大學先修課程理事會）中甚至沒有任何計算機相關(guān)課程。計算機科目只在AC體系中具有和其他科目較平等的地位。三個體系的認證方式，被認可的大學也不盡相同，并未統(tǒng)一。

2.2我國大學計算機先修課程的興起與發(fā)展

教育興則國家興，教育強則國家強。我國的教育行業(yè)也一直在為降低中外差距，培養(yǎng)高端人才而不斷努力。

事實上，我國大學先修課最早可追溯至九十年代，彼時南京金陵中學開展高考制度改革，與多所大學合作，增加英語、微積分等大學先修課程，然而，出于各方壓力，該項目于幾年后遇重創(chuàng)而中止。2012年，上海理工大學附中與國內(nèi)多所高校合作進行中國大學先修課的改革探索及實踐。2014年，中國教育學會仿照美國模式嘗試開展大學先修課，目前，已進行多輪試點，共開設(shè)了8門大學先修課。2015年11月，清華大學牽頭啟動“中國MOOC大學先修課（MOOC of China AdvancedPlacement，MOOCAP）”項目，項目涉及國內(nèi)多所重點中學，拉開了大學先修課課程改革的序幕。

經(jīng)過發(fā)展，目前主流的中國大學先修課程體系中能找到的計算機相關(guān)課程有：

CAP（中國教育學會）：線上課程（有學分）：程序設(shè)計與算法、零基礎(chǔ)學Python語言，C語言程序設(shè)計等。

AC：線下課程：計算概論（設(shè)置考試）。

CAP（中國大學先修課程理事會）：沒有任何計算機相關(guān)課程，更無考試。

2.3我國大學計算機先修課程的內(nèi)容、特點與評估方式

2.3.1課程內(nèi)容

我國AC計算概論課程，與上文提及的美國計算機科學原理（Computer Science Principles）先修課程一樣，可面向零基礎(chǔ)學生。教學編程語言為C++。通過學習該課程，學生能建立起“學習計算機科學技術(shù)知識所需的基本知識背景”，掌握“計算機程序設(shè)計的基礎(chǔ)知識”，擁有“獨立設(shè)計計算機程序解決問題”的基本技能。

盡管和美國計算機科學原理（Computer Science Principles）選用語言不同，但兩門課程都為學生提供了一種語法嚴謹、結(jié)構(gòu)清晰的編程語言，讓學生以此入門學習如何編寫程序。不同之處在于，AC計算概論的主要介紹面向過程的問題求解，而美國計算機科學原理（Computer Science Principles）則關(guān)注面向?qū)ο蟮膯栴}建模和設(shè)計理念。高中生的信息學科核心素養(yǎng)之一是計算思維能力，是指在運用計算機科學領(lǐng)域的思想方法形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動能力。具備計算思維的學生在信息活動中能夠采用計算機可以處理的方式界定問題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型、合理組織數(shù)據(jù);通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運用合理的算法形成解決問題方案;總結(jié)利用計算機解決問題的過程與方法，并遷移到與之相關(guān)的其他問題解決之中。美國計算機科學（Computer Science）和我國AC計算概論采取不同的視角，各有側(cè)重地培養(yǎng)學生的計算思維能力。

2.3.2評價方式

中國大學先修課程的總體目標是填補學生中大教育之間連接縫隙，激發(fā)學生潛能，培養(yǎng)其學科核心素養(yǎng)。

根據(jù)計算機學科核心素養(yǎng)進行的教學評價，以傳統(tǒng)的筆試作為單一、主要的評價模式是不夠的，而信息相關(guān)課程的一個獨特之處是可以使用線上測評系統(tǒng)來實現(xiàn)作業(yè)布置和批改（2）。線上測評是程序設(shè)計訓(xùn)練的重要手段，學生可在線提交程序代碼，在線查看代碼執(zhí)行結(jié)果反饋。通過線上測評系統(tǒng)，可以考查學生對程序設(shè)計的熟練程度，同時培養(yǎng)周密而扎實的編程與調(diào)試基本功，AC計算概論課程就是如此。而與AC計算概論考試不同的是，美國計算機科學（Computer Science）考試采取筆試，提供常見類方法的語法參考資料，程序編寫題由閱卷者人工批閱。通過評分標準可以了解到，相比于細枝末節(jié)的語法錯誤，命題人更為重視學生對于程序設(shè)計理念的掌握，可以按照程序?qū)崿F(xiàn)給相應(yīng)的部分分值。這與我國計算概論考試采取線上測評的考試形式截然不同，后者的理念是"Code wins argu-ment”（代碼至上），哪怕只有一點小錯誤，得分即為零分。

3中美計算機先修課程比較與啟示

除上文提及的課程內(nèi)容設(shè)置類似、評價方式不同（美國為筆試，按步驟給分;中國為在線測評，如過程序無法最終運行，則為0分）外，本部分還從以下兩個方面進行比較分析，從而獲得啟示。

3.1我國計算機大學先修課程效果評估

大量研究表明，美國AP計算機考試的成績與學生入學后的表現(xiàn)呈正相關(guān)關(guān)系。

筆者根據(jù)中山大學新華學院2018級1000名抽樣學生的兩門計算機課程（計算機基礎(chǔ)和程序設(shè)計基礎(chǔ)）及其他相關(guān)信息（包括學生MOOC計算機基礎(chǔ)先修課學習情況、性別、MOOC程序設(shè)計先修課學習情況、所屬專業(yè)、入學前是否有個人電腦、大一期末程序設(shè)計基礎(chǔ)課程成績、地區(qū)、是否通過計算機基礎(chǔ)免修考試）做數(shù)據(jù)挖掘，得到如下結(jié)果：

首先，考量第一門課（計算機基礎(chǔ)）的相關(guān)影響因素。對“是否通過計算機基礎(chǔ)免修考試列做“分析關(guān)鍵影響因素”挖掘，進行分析的因素中包括除去另一門課程序設(shè)計先修課和成績的兩列外其他所有列。得到如下結(jié)果：

由上可得，對于計算機基礎(chǔ)免修考試是否通過，相對影響最大的因素是MOOC計算機基礎(chǔ)學習情況，其次，是學生所在地區(qū)。其中，“未曾學習”過MOOC先修課程或出生農(nóng)村的同學更加傾向于“未通過”，而“學過”MOOC先修課程和省會以上城市的同學更傾向于“通過”。其他因素例如性別、專業(yè)、是否有電腦等出乎意料地并不成為關(guān)鍵因素。

3.2我國計算機大學先修課困境、挑戰(zhàn)與改革方向

3.2.1困境與挑戰(zhàn)

首先，美國是早已形成完善的大學先修課制度體系，在此基礎(chǔ)上，利用MOOC作為輔助進一步發(fā)展先修課的。

而在我國，雖然MOOC已上線的計算機課程已數(shù)以百計，但大學計算機先修課和MOOC都只是處于發(fā)展萌芽期，當兩個新生事物同時交融發(fā)展，必然引發(fā)兩者自身發(fā)展和兼容兩方面都需解決的問題。目前，兩者都更為注重課程內(nèi)容的研發(fā)，而對計算機教學內(nèi)容上與高中課程結(jié)合，制度上大學與高中的有機銜接、高校間的協(xié)調(diào)互認等方面并不重視，仍存在許多問題，筆者總結(jié)為以下幾個方面。

1）計算機課程在我國先修課程體系中地位較低

計算機課程在美國備受重視，在各種先修體系中都設(shè)有2門以上課程，也是目前最流行的、參考人數(shù)最多的課程。

然而，在我國，目前3個主流體系，僅有AC將計算機列為考試科目，且僅設(shè)有一門計算概論。另外兩個體系甚至都未設(shè)置任何一門計算機有關(guān)科目為考試科目。

2）計算機大學先修課課程體系尚未形成統(tǒng)一體系。

上文提及的3個主流中國大學先修課課程體系，尚處于各不相謀、自立門戶的狀態(tài)，并未形成公認統(tǒng)一的體系，距離形成成熟可行的課程體系，還任重而道遠。

3）高校間對大學先修課的標準及學分認證機制未達成共識。

美國AP、或IB的評價方式被高校廣泛接受，有統(tǒng)一、明確的學分認證機制。

而目前，我國3個體系有各自的認證高校，但覆蓋面都不廣泛，互相之間也無交集，對評分標準并未達成共識，這從根本上制約我國大學先修課的發(fā)展。這將很大程度降低中學生參與先修課的動力。

4）線上考試分數(shù)不具高說服力。

我國現(xiàn)有的MoOC先修課程雖然設(shè)置了學分或者考試，但若直接采用線上平臺進行考試，很難確認學生是否是本人操作或有何輔助工具，因此，直接將此成績用于學分認定將存在較大問題。

3.2.2改革方向

綜上所述，要穩(wěn)步發(fā)展我國大學計算機先修課程制度，首先需教育部門提高計算機相關(guān)科目的地位，使之具備先修課考試資格，使得更多學生能投入該課程的學習。其次是明確計算機先修課建設(shè)中不同主體（包括高校、高中、教育管理部門等）的職責，特別是需要完善學分互認制度，理清大學計算機先修課課程本身與高中信息知識體系之間的關(guān)系。當前，中國大部分高校對直接利用先修課成績進行學分認定還處于觀望狀態(tài)，我國計算機大學先修課還有很長的一段路要走。

另外，美國對于女性學生、農(nóng)村學生的計算機教育等信息科目天然弱勢群體的額外關(guān)注與投入也是值得我國從政策和實踐上學習的。