美研究报告：应重视计算思维培养并融入各学科教学
2021年12月，美国非盈利组织“数字承诺”（Digital Promise）[1]发布“Computational Thinking for an Inclusive World: A Resource for Educators to Learn and Lead”报告，对计算思维的内涵与培养路径等进行了分析，本文就该报告的主要内容编译如下与读者分享。
一、为什么要重视计算思维
报告首先指出，在技术进步带来生活和学习变革的背景下，越来越需要将课堂上的计算能力重新定义为一种内在的社交和习得技能。其最终目标不仅是学会对数字设备的访问，还包括利用数字设备提高学科学习、批判性思维和自我表达的技能。
学生使用计算机必须超越消费信息或做诸如阅读、写作或演讲之类的日常工作。学生需要有机会创造、解码、分析、定制或以其他方式利用计算机程序或预测模型来解决问题或支持他们的学习目标。
他们还需要有机会考虑技术系统——包括设计到技术系统中的偏见——是如何影响他们的生活的。这些学习机会对所有学生都很重要——而不仅仅是那些最终学习计算机科学或进入信息技术行业的学生，因为技术现在已经融入到各个领域和日常生活中。
据此，该报告认为，如果要让下一代的每一个学生都具备参与科技社会的技能，那么所有的教育工作者，不论学科和年级，都需要为学生提供参与计算技能和实践的机会。
二、什么是计算思维
关于计算思维，该报告从对几个相关概念的区分与联系进行了说明。
在2017年，“数字承诺”提出了一个计算机科学、计算思维和编码三个概念的关系图，认为计算机科学（computer science）是一门学科，计算思维（computational thinking）是一种实践，编码（coding）是一种独特技能，它们之间存在交叉和分离。
在这一新的报告中，“数字承诺”更新了之前的概念关系图，首先是增加了“计算”（computing）的概念，其次是将原来的“编码”（coding）更新为“编程”（programming）。
具体来说，各概念含义如下：
编程：是开发一组计算机可以理解和执行的指令，以及调试、组织和应用这些代码来解决问题的实践。它包括在计算机科学中，并与计算思维有交集。
计算机科学：研究计算机和算法过程，包括它们的原理，它们的硬件和软件设计，它们的应用，以及它们对社会的影响。
计算思维：一种解决问题、设计系统和理解人类行为的方法，它利用了计算机科学的基本概念，是每个人的基本技能，而不仅仅是计算机科学家。
计算：利用计算方法、模型或系统的任何活动或研究领域，如信息管理、计算机工程、人工智能、数据科学、娱乐媒体等。
三、计算思维技能与实践综合框架
对于在K-2教学中培养计算思维技能，该报告提出了一个由三个同心圆组成的综合框架图。
最外围的圆环为计算思维技能（computational thinking skills），它是使用计算工具解决问题所必需的认知过程，包括抽象、算法思维、调试、分解、模式识别、选择工具。
中间圆环为计算思维实践（computational thinking practices），它结合了许多计算技能来解决一个应用问题，包括自动化、计算建模和数据实践。
最里面的圆环为包容性教学法，是指那些让所有学习者参与计算的策略，将应用程序与学生的兴趣和经验联系起来，并提供机会承认和克服计算领域的偏见和刻板印象。
该报告建议根据儿童发展特点应用这一计算思维综合框架，由此决定向不同年龄和认知能力的学生教授什么以及如何教授。例如，k-3年级，学生将可能主要进行计算技能应用到课堂上相关问题的实践。在4-12年级，学生则应用多种计算技能进行计算实践。
四、美国计算教育实施现状
报告指出，在过去八年中，美国36个州通过了新政策，将计算教育（computing education）作为K-12教育的基础部分。纽约市在这项工作中一直处于领先地位，于2015年推出了“全民计算机科学”（CS4ALL）项目，公私合作投入8100万美元，旨在确保所有纽约市K-12学生都能获得计算机科学和计算思维方面的高质量学习机会。
报告同时指出，虽然美国所有50个州都有一些促进计算机科学的政策，但对计算思维的定位是模糊的。例如，许多州用来制定标准的“K-12计算机科学框架”将计算思维整合到了7个核心学科领域中的4个而不是全部，理由是发展计算思维的最有效环境和方法是学习计算机科学，因为它们之间有着内在的联系。
五、计算思维教育的实践策略
报告还指出，为了惠及所有学生特别是那些处于边缘化的学生，需要要扩大学生参与计算思维的机会，而不仅仅是选修课程或拓展项目。为此，该报告认为需要加强两方面的举措：一是将计算思维融入学科学习，二是重视提高教师将计算思维融入教学的能力。
报告认为，将计算思维融入学科学习，不仅可以扩大计算思维学习机会，也有利于学科理解，可以深化学科学习。就将计算思维融入学科学习，该报告提出了三个策略。
策略一：利用学科学习和计算思维之间的协同效应。学区和教师需要找出将计算思维融入核心学科领域的最佳方法。目前在科学和数学学科领域融入计算思维已经有一些不错的案例和框架，如麻省理工学院等机构开展的GUTS项目（是一门中学科学课程，学生利用计算模型探索科学概念，如人口生态学、水资源保护和流行病学），Bootstrap提供的“Bootstrap：代数”课程（让学习者编写视频游戏或分析数据，整合代数、物理和数据科学的概念）等。
在艺术、英语语言艺术、社会研究中也有一些不错的案例，如Bootstrap提供的“Bootstrap：数据科学”课程（提供与历史事件相关的数据，为学生提供解释原始数据集的机会）、密歇根州立大学等机构合作推出的“综合计算思维”项目（Integrated Computational Thinking）等。
该报告还提出了将计算思维分别融入PreK-2、3-5年级和6-12年级各个核心学科的具体参考案例。
策略二：在较低年级培养计算思维能力。报告认为，对于幼儿来说，有机会参与计算思维尤其重要，以便培养对计算的兴趣和基本理解。当教育者试图将计算思维融入所有年级（包括较低年级）时，他们必须做出战略决策，确定适合不同年龄组的学习目标，并预估这些学习目标如何作为学习过程的一部分联系起来。因为传统的计算机教育直到中学才开始，所以在低年级(PreK-5)理解适合发展的计算思维实践特别具有挑战性。
虽然有许多计算设备被设计用来支持少儿学习编程，但计算思维技能不仅仅与编程有关。计算思维有助于元认知，即在解决问题时监控认知过程的能力。
策略三：促进学生的能动性与目的性。报告指出，对于计算思维教学，应重视提供以学生为中心的学习经验，这样学生就可以决定使用什么工具，如何使用它，以及出于什么目的，这为他们提供了在课堂之外获得计算经验、自主性和信心的机会。
对此，该报告提出了一个从“增强”(Enhancement)到“转换”(Transformation)的“光谱”，“增强”指的是指导学生如何使用数据、程序或代码，“转换”指的是学生自己决定学习目标以及他们将用于实现这些目标的计算工具和过程。在中间阶段，学生可以修改他们所提供的程序或在有限的范围内做出决定。
具体来说，在刚开始尝试将计算思维融入学科教学，教师可以从“增强”着手，慢慢地为学生提供更多的能动性，因为他们变得更适应工具和实践，以促进计算思维。
就如何提高教师将计算思维融入学科教学的能力，该报告同样提出了三个策略：
策略一：促进地区、学校和教师之间的共同领导。报告认为，推进计算思维教育，地区、学校和教师之间必须进行有效合作，采取基于能力的方法来实施。
策略二：开发持续、个性化的专业学习机会。报告指出，当教师有机会获得强大的专业学习机会时，可以提高他们在课堂上开展计算思维教育的信心和效率。现在需要开发支持和认可教育工作者如何融合计算思维知识的系统。目前将计算思维融合到核心学科还有很多挑战，如教师们表示，教学时间安排不足，难以确定计算思维和核心学科内容之间的联系。
另外，教师资格认证途径和专业发展的缺乏使得教师在融合计算思维方面能力不足，尤其是以创新的方式让那些在计算机领域被边缘化的学生参与进来。大多数教育工作者没有很强的计算机科学背景。因此，需要为教师提供这方面的专业学习机会。
策略三：将计算思维融入职前教师教育。报告指出，将计算思维融入学科教学的可持续性和持久性取决于能否让计算思维成为每位新教师工具箱的一部分，所以有必要在教师职前教育中嵌入计算思维的学习。具体可以采取以下一些举措：在计算机科学教育者和教师教育者之间建立伙伴关系，开发与计算思维技能和实践相结合的课程；在教育技术课程中引入计算思维技能；通过方法论课程，将计算思维应用到各个学科领域等。
[1] “数字承诺”（Digital Promise）是美国国会2008年授权成立的一个非盈利组织，启动资金来自美国教育部、纽约卡耐基公司、威廉与佛萝拉修列基金会、比尔及梅琳达·盖茨基金会，目前资助者包括脸谱、谷歌、美国国家科学基金等。现任董事会主席为前美国教育部科学技术办公室主任Linda Roberts博士，副主席为世界银行高级教育和技术政策专家、全球教育创新领导Michael Trucano。“数字承诺”开展了“360故事实验室”（360 Story Lab）、“成人学习”（Adult Learning）、“Ciena解决方案挑战”（Ciena Solutions Challenge）、“计算思维”（Computational Thinking）、“包容性创新”（Inclusive Innovation）、“创客学习”（Maker Learning）、“微认证”（Micro-credentials）、“下一代科学”（Next Generation Science）、“改造课堂”（Reinvent the Classroom）等项目，其个别项目引起了国内研究者的关注，如魏非和祝智庭老师发表在2017年《开放教育研究》上的《微认证：能力为本的教师开放发展新路向》一文对其“微认证”做了深入分析。
（本文由中国教育科学研究院国际与比较教育研究所张永军编译自美国“数字承诺”发布的“Computational Thinking for an Inclusive World: A Resource for Educators to Learn and Lead”报告，读者可点击左下角“阅读原文”下载该报告）