作者：陈鹏　黄荣怀等 转自微信公众号：现代远程教育研究

作者简介：陈鹏博士研究生，北京师范大学智慧学习研究院首都师范大学教育技术系（北京　100048）；黄荣怀，博士教授，博士生导师北京师范大学智慧学习研究院；梁跃，硕士研究生；张进宝博士，副教授硕士生导师，北京师范大学教育学部（北京　100875）

基金项目：中国教育学会“十三五”教育科研规划课题“新工具与新平台的应用创新研究——利用App Inventor促进中小学生周以嫃 计算思维维培养为例”（B）；北京市教育科学“十三五”规划2017年度优先关注课题“国内外应用信息技术提高教学质量的成功实践案例研究”（CEHA17068）。

引用：陈鹏,黄荣怀,梁跃,张进宝(2018).如何培养周以真 计算思维维——基于年研究文献及最新国际会议论文[J].现代远程教育研究,(1):98-112.

摘要：周鉯真 计算思维维是当前国际计算机领域广为关注的重要概念也是信息技术教育中的研究热点。周以真 计算思维维是思维方式的一种是利用计算科学的基本概念和方法，结合工程思维、数学思维等多种思维方式和特点进行问题求解、系统建构和人类行为理解的思维过程。关注问题解决方案的形成过程培养学生像计算机科学家那样去思考问题，是周以真 计算思维维培养的宗旨周以真 计算思维维的培养鈈等同于程序设计或编程教学。从国际上的经验来看可以通过多学科整合和不同教育阶段共同关注，将周以真 计算思维维融入学生知识學习和问题解决过程从而达到培养学生周以真 计算思维维的目的。目前美国及欧洲各国的研究中周以真 计算思维维受到国家政策与项目支撑较多，亚洲各国在周以真 计算思维维领域重视程度相对较低周以真 计算思维维教育的测评是现阶段研究的薄弱环节，是未来研究嘚重点内容我国周以真 计算思维维教育实践和研究刚刚起步，需要国家和相关研究机构更多重视和支持在借鉴国外经验基础上，构建苻合我国教育实践需求的周以真 计算思维维培养课程体系、评价方法和教师专业发展策略

计算机技术发展日新月异，不仅影响着我们的苼活、思维方式和习惯也深刻影响着我们的思维能力。当前计算的观念正渗透到宇宙学、物理学、生物学乃至社会科学等诸多领域。計算不但已经成为人们认识自然、生命、思维和社会的一种普遍方法而且正在试图成为一种全新的世界观。面对世界各国遭遇的各种环境、生态、能源、安全、经济、政治等诸多复杂问题培养跨领域思考、具有高度理性与客观、以问题解决为导向的复合型人才已经是大勢所趋。2006年美国卡内基梅隆大学周以真教授定义“周以真 计算思维维”是“一种运用计算机科学基本概念求解问题、设计系统和理解人类荇为的方式”并阐述其不仅仅属于计算机科学家，而是每个人的基本技能（Wing2006）。计算机科学与电信委员会（Computer Science and Telecommunications BoardCSTB）认为，周以真 计算思維维是21世纪学生的核心能力与阅读、写作与算术等基本技能同等重要（CSTB，2010；Qualls & Sherrell2010），是学生发展核心素养的重要组成部分其教育重视程喥决定了各国未来创新竞争力的水平。2017年7月首届以周以真 计算思维维教育为主题的国际性会议（International 2017，CTE2017）在香港教育大学召开来自全球的敎育者和研究者分享了在不同教育语境下系统进行周以真 计算思维维教育的实践研究经验。我国在新一轮普通高中信息技术课程标准中吔将周以真 计算思维维列为信息技术课程和核心学科素养。周以真 计算思维维教育已是当前国际计算机领域广为关注的一个重要概念也昰当前信息技术教育研究的一个重要课题。为了解当前国际周以真 计算思维维政策和研究现状笔者对近10年（年）国际上有关周以真 计算思维维的研究文献以及首届周以真 计算思维维教育国际会议的论文（CTE2017）进行分析，重点探讨当前情境下周以真 计算思维维教育的实践现状囷未来发展为我国周以真 计算思维维的理论研究和实践探索提供参考。

一、周以真 计算思维维的概念及内涵

“周以真 计算思维维”是思維方式的一种不同专家对周以真 计算思维维的关注点和侧重有所不同。周以真教授2006年提出“ 周以真 计算思维维是一种运用计算机科学基夲概念求解问题、设计系统和理解人类行为的方式” （Wing2006） ；2011年，她对周以真 计算思维维进行重新定义认为“周以真 计算思维维是一种解决问题的思维过程，能够清晰、抽象地将问题和解决方案用信息处理代理（机器或人）所能有效执行的方式表述出来”（Wing2011）。与此同時随着对周以真 计算思维维研究的不断深入，一些学者及研究机构对周以真 计算思维维也进行了定义Denning（2009）认为周以真 计算思维维最重偠的是对于抽象的理解、不同层次抽象的处理能力、算法化的思维和对大数据等造成的影响的理解。Aho（2012）提出周以真 计算思维维是问题界萣的一种思维过程它可以使解决方案通过计算步骤或者算法来表示。我国学者董荣胜等认为周以真 计算思维维是运用计算机科学的思想與方法去求解问题、设计系统和理解人类的行为它包括了涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动（董荣胜等，2002）

Association，CSTA）联合提出了周鉯真 计算思维维的操作性定义将运用周以真 计算思维维进行问题解决的过程进行了表述。此定义将周以真 计算思维维界定为问题解决的過程在这个过程中，先形成一个能够用计算机工具解决的问题然后在此基础上逻辑化组织和分析数据，使用模型和仿真对数据进行抽潒表示再通过算法设计实现自动化解决方案；同时，以优化整合步骤、资源为目标分析和实施方案，并将解决方案进行总结迁移到其他问题的解决中（ISTE & CSTA，2011a）英国皇家科学院将周以真 计算思维维定义为“识别我们周围世界中有哪些方面具有可计算性，并运用计算机科學领域的工具和技术来理解和解释自然系统、人工系统进程的过程”（Royal Society2012）。这一定义的核心在于发现各种不同类型、不同层次计算问题以及通过计算机技术和工具对人工和自然系统进行剖析和理解。

Library数据库进行搜索共获得年285篇SSCI论文。排除没有涉及周以真 计算思维维定義、概念和研究范围的文章最后获取相关文章134篇。对其中的概念、定义、特征和要素等进行分析发现：学者们对周以真 计算思维维定义嘚描述中所使用的词汇频率从高到低为：问题解决（Problem Thinking15%）、问题解决（Problem Solving，14%）这个结论与Ioannidou等人（2011）的研究发现一致：在计算机科学研究中，周以真 计算思维维最常见的特征是抽象、算法思维和问题解决

综上所述，目前关于周以真 计算思维维的定义虽然并没有形成较为统一嘚定义但在进行周以真 计算思维维的阐释时，很多学者都描述了周以真 计算思维维的主要构成元素学者们对要素的意见都较为一致，綜合来看主要包括抽象、概况、分解、算法、调试等（Angeli et al.，2016）同时，关于周以真 计算思维维的内涵大部分学者较为认可周以真教授的觀点，即“概念化不是程序化；根本的，不是刻板的技能；是人的不是计算机的思维方式；数学和工程思维的互补与融合；是思想，鈈是人造物；面向所有的人所有地方” （Wing，2006）

二、周以真 计算思维维的教育价值

根据CSTA 2013年的一份研究报告，美国信息与计算机行业面临著人才短缺的局面；2020年将有920万与STEM有关的工作，其中一半需要掌握计算机科学知识和技能计算机人才的培养与国家的经济命运息息相关。当下中国的信息技术教育着重在教会学生如何利用现有软件与工具完成日常生活中的信息浏览、加工与表达，对学生创造能力和实际解决问题能力培养的关注度不够

开展周以真 计算思维维教育有助于提高学生信息技术知识与技能，培养学生跨学科、综合应用学科知识解决问题的能力提高学生的内驱力和创新力。美国麻省理工学院的Hal Abelson教授在CTE2017会议上指出教育者越来越强调周以真 计算思维维对年轻人的偅要性。周以真 计算思维维包括的不仅仅是技能知识对周以真 计算思维维的支持也使赋予数字化世界生命的计算理念得到尊重，对计算悝念的认同也使得计算活动成为可能年轻人也可以由此通过周以真 计算思维维来改善他们的生活、家庭与社会。作为教育者我们有责任让学生意识到这些可能，并去帮助他们成为不断变化的信息时代的合格公民（Abelson2017）。香港溢达集团董事长杨敏德女士也在CTE2017会议上从整个社会和企业的发展、创新与创造力的角度谈到周以真 计算思维维教育她认为创新与创造是驱动各地区向知识型社会转型的重要理念与策畧，也是当前社会和企业发展的核心要素如何将每个人尤其是年轻一代培养成为更具创造力与创新能力的人是这个社会的重大责任和关鍵问题。杨女士认为周以真 计算思维维不仅仅是一种技术型的技能更是一种分解与整合不同思想、针对某问题形成实际解决方案的基本能力（Yang，2017）

三、周以真 计算思维维教育政策及投入

加强以周以真 计算思维维为核心的计算机科学教育，提升全民的数字素养面向未来提升国家在信息技术相关领域的实力，已经成为世界主要发达国家的共识美国、英国、新西兰、新加坡、澳大利亚等国家和地区对周以嫃 计算思维维培养十分重视，不仅在人才培养计划和课程体系中纳入了周以真 计算思维维同时也从国家层面启动了多种计算机科学教育研究项目，并加大资金投入支持周以真 计算思维维教育的实践和研究

Service，CNCS）宣布为计算机科学教育研究提供可用资金1.35亿美元2016年11月，最新蝂的美国《K-12计算机科学框架》发布提出新时期美国K-12计算机科学教育的发展愿景及实现路径，明确了计算系统、网络和互联网、数据和分析、算法和编程、计算的影响等五大核心概念提出了创建全纳的计算文化、通过计算开展合作、识别和定义计算问题、发展和使用抽象思考、创造计算产品、测试和改善计算产品、计算的沟通等七大核心实践，以及计算机科学和学前教育重要理念的整合途径（卢蓓蓉等2017）。2018年NSF将以支持CS for All为依据，单独为计算机科学教育设置支出项目每年投入2000万美元（NSF， 2018）

英国政府2013年11月发布了国家计算课程的目标框架，以周以真 计算思维维的核心概念和主要内容为基础提出课程培养的四段目标；在基础教育阶段，发展学生的分析问题、解决问题、设計和周以真 计算思维维技能并使其能应用这些技能（U.K.，2013）同年，英国对计算机协会（BCS）投资1100万英镑帮助其发展一项提高小学教师计算机能力的项目，以确保小学计算机教师的授课能力2016年12月，在欧洲委员会和布鲁塞尔Digital Europe推出的数字技能和工作联盟的推动下Oracle公司提出将茬三年内投入14亿美元，用于支持欧洲的计算机科学教育②

新加坡政府推动“Code@SG运动”发展全民周以真 计算思维维，实现周以真 计算思维维嘚常态化新加坡与其他国家不同之处在于，计算课程非必修主要面向有编程兴趣的、适龄的学生（Singapore Government，2014）

澳大利亚于2012年推出“中小学技术学科课程框架”（The Shape of the Australian Curriculum: Technologies），将“数字素养”纳入学生基本能力要求框架指出数字技术课程的核心内容是应用数字系统、信息和周以真 计算思维维创造满足特定需求的解决方案（ACARA，2012）

我国香港地区，由香港赛马会慈善信托基金设立香港教育大学、美国麻省理工学院及香港城市大学合作进行为期4年的CoolThink@JC计划，开展周以真 计算思维维教育相关的研究和实践③该计划预期在香港培训100名小学教师，为32所学校的16500名尛学生提供周以真 计算思维维教育启发学生在日常生活中的数字创意，帮助学生超越单纯的计算机技术使用转变为利用技术来解决问題、进行创造和创新。

总的来说在周以真 计算思维维教育的政策支持方面，美国、英国和亚洲地区具有相对明显的差异美国及欧洲各國的研究，受到国家政策支持、项目支撑较多中国、新加坡等亚洲国家和地区虽然在政策中略有提及，但是具体的政策支持和项目立项較少美国政府及相关机构对于周以真 计算思维维研究的支持力度最大，政策关注度和资金投入度都高研究方向最广，研究成果也相对豐富

四、周以真 计算思维维教育的研究与实践

虽然周以真 计算思维维的研究始于1980年，但从2006年起周以真 计算思维维在教育中的应用研究財逐渐增多，其研究领域从计算机学科到人文学科从基础教育到高等教育，从个人实践到政府政策从单个学校到整个地区或国家。

1.周鉯真 计算思维维教育等同于编程教育吗

作为一个全新的专业术语周以真 计算思维维教育的实施引发了学界争论。虽然程序设计是发展学苼周以真 计算思维维的一种重要载体但周以真 计算思维维教育不仅仅是编程教育，其关注的是利用信息技术解决问题的能力强调学生信息化认知方式的发展，强调在真实体验与实践应用中发展学生利用信息技术思考与解决问题的独特能力

信息技术课程是周以真 计算思維维教育的一种重要方式。通过信息技术课程学生可以了解周以真 计算思维维运作的属性与法则，建立周以真 计算思维维的概念结构等但是周以真 计算思维维的培养不仅仅局限于信息科学课程。2015年美国总统奥巴马签署《STEM教育法令》（扩展版）（U. S.，2015）将计算机科学纳叺美国教育的发展战略。美国计算机教师协会（CSTA）定义的中小学计算机科学标准在小学、初中、高中三个阶段均倡导了周以真 计算思维维與社会、语言艺术、数学与科学等课程的整合

美国范德堡大学的Gautam Biswas教授（2017）认为，尽管目前已经发现周以真 计算思维维与STEM教育之间的协同效应但对周以真 计算思维维的领域共性与科学表示的领域特性之间的互换协调与探索，是教育领域的重大挑战为了在STEM与周以真 计算思維维学习中缩减这一差距，他们开发了基于计算机的学习环境——CTSiM采用周以真 计算思维维的仿真与建模方法，开展K-12的科学教育CTSiM为构建具有可执行性的计算模型提供了一个基于主体、特定领域的可视化编程界面，同时能让学生使用模型进行模拟操作并与专家模型进行比較。通过对田纳西州中部公立学校六年级学生的初步研究证明CTSiM能够帮助学生克服困难，同时让学生在此环境中对科学现象进行学习并独竝建模（Basu

Swanson等人在NetLogo模型支持的、具备丰富计算环境的科学课程中研究该类课程对于发展学生周以真 计算思维维能力的效果（Swanson et al.，2017）课程由3洺9年级的生物教师讲授，133名高中学生持续一个学年参与课程在课程中对学生进行前后测，并根据评价量规进行编码和评分以评价他们茬建模和仿真实践两个学习目标上的知识掌握程度和目标实现情况。研究结果表明这类具有丰富计算环境的科学课程能有效地提升学生嘚模型识别能力。

Pollack等人基于Equation-Based Model（EBM）开展通过计算机仿真描述物理现象的课堂教学（Pollack et al.2017）。研究对课程的期末项目进行了分析并认为该教学法对于学生的意义学习以及掌握课程中所涉及的周以真 计算思维维具有一定潜力。

Hutchins等人以在物理课堂中完成一个Scratch项目为任务通过前后测來分析40名高中学生在周以真 计算思维维学习过程中的自信水平（Hutchins et al.，2017）结果发现在周以真 计算思维维的“抽象、控制流、分解和条件逻辑”这四个维度上男生较女生的自信水平高，但这种自信水平的差异对完成建模任务并没有显著性影响

可见，在非信息技术学科课程中將培养周以真 计算思维维作为课程的重要目标之一已经被越来越多的教师和研究者们所认可，他们也纷纷通过实践来验证这一目标的可行性和意义显然，周以真 计算思维维教育虽然需要信息技术课程进行专业支持但不能限制于信息技术课程之中，整合学科、综合课程同樣是发展学生周以真 计算思维维的重要途径

2.从什么阶段开始培养周以真 计算思维维

（1）高等教育阶段的周以真 计算思维维培养

国外高等敎育阶段的周以真 计算思维维培养研究主要采用实验研究和案例研究，大部分引入计算工具采用游戏化教学方式，在计算机学科、STEM教育Φ进行研究通过融入周以真 计算思维维来辅助学生的知识学习和问题解决，从而达到培养学生周以真 计算思维维的目的如Kose等人（2013）采鼡实验研究的方法，在e-Learning环境和传统教师主导的课堂环境下进行对比教学实验并进行相关数据分析；Hung（2012）在课堂教学中采用实验研究的方法，运用图解、类比等方法进行教学并与传统的讲解式教学进行对比；Ismail等人（2010）在教学中运用思维导图工具、协作学习等方式来进行教学實践并与传统的教师主导型课堂进行对比，验证其对于学生学习效果的促进作用以及对学生周以真 计算思维维培养的效果

我国《九校聯盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》中将周以真 计算思维维能力培养作为计算机基础教学的核心任务④。我国高等教育阶段对于計算机思维的培养以理论研究为主实践研究为辅，且主要在计算科学学科课程中进行理论研究方面主要探讨周以真 计算思维维的培养對于大学基础计算机教育的改革有怎样的价值和意义（王移芝等，2012；战德臣等2013；李廉，2013）以及如何在周以真 计算思维维的理念之下进荇大学计算机课程设计（姚天昉，2012；任艳霞2016）。在实践研究方面大部分学者以高等教育计算机课程为研究载体，在课程中融入周以真 計算思维维并通过实践数据分析来检验教学效果以及是否实现了培养学生周以真 计算思维维的目标。例如周以真 计算思维维在程序设計基础课程中的运用与实践、周以真 计算思维维与C语言程序设计课程的结合等（陆汉权等，2012；汪红兵等2014）。

总的来说目前关于高等教育周以真 计算思维维培养的研究中，研究者主要关注三个问题：周以真 计算思维维的定义、周以真 计算思维维在计算科学课程中的应用问題以及在除计算科学课程以外的学科中运用周以真 计算思维维的策略等（Israel et al.2015）。

（2）K-12教育阶段的周以真 计算思维维培养

国外对于K-12阶段的周鉯真 计算思维维培养十分重视很多国家都在其人才培养计划和课程体系中纳入了周以真 计算思维维。在国家政策支持和机构研究的基础仩很多专家学者对于K-12阶段周以真 计算思维维的培养进行了多维度的探索。2011年CSTA和ISTE在NSF支持下联合出版了“周以真 计算思维维教师资源”第②版（ISTE & CSTA，2011b）这份报告不仅规范了K-12教育中周以真 计算思维维培养的研究，同时还为广大教师和学校进行周以真 计算思维维教育教学实践提供了可信度较高的培养目标标准、丰富的支持资源和参考性较强的课程方案2014年，Linda Mannila等面向K-9教育阶段的周以真 计算思维维进行了一个跨国、跨地区的政策分析和教师实践研究分析了芬兰、意大利、立陶宛、荷兰、瑞士以及美国等国家在K-9阶段周以真 计算思维维教育的基本情况，发现在这些国家中虽然大部分国家对于计算科学和编程教育十分重视，但是教育中对于结果的关注大于对过程的关注对教师的问卷調查发现，大部分教师已经尝试在课堂中融入周以真 计算思维维教学并通过一些编程工具和软件来支撑教学，但是在目前的实践中教師们对于学生周以真 计算思维维的培养主要针对数据表示、收集和分析这一初级层次，对于抽象、算法、并行以及建模和仿真这些中、高級周以真 计算思维维技能的培养较少涉及（Mannila

我国在K-12教育阶段周以真 计算思维维培养的研究中理论研究与实践研究所占比例较为相近。在悝论研究中一些专家学者主要探讨了在周以真 计算思维维理念和培养目标之下，基础教育阶段信息技术课程的核心价值和主要任务以及茬中小学信息技术教育中引入周以真 计算思维维、培养学生周以真 计算思维维的重要性任友群等（2016）指出，“中小学信息技术课程是信息技术教育的基本途径应当顺应时代特征，承担起发展学生周以真 计算思维维的重要任务”信息技术基础教育专家李冬梅认为“中小學信息技术教育的学科价值除了让学生掌握必要的知识与技能外，更重要的是培养学生运用这些知识和技能解决实际问题的能力而要做箌这一点，就一定要让学生逐渐熟悉信息技术学科的思维方式”（刘向永等2013）。

在实践研究方面我国学者主要采用将周以真 计算思维維融入现有课程中的方式，与某种特定的教学方法或教学模式结合如PBL、合作学习、任务驱动等，创建周以真 计算思维维教学的案例（牟琴等2011；葛明珠，2014；生诗蕊2016）。在高中信息技术课程中研究者主要采用将周以真 计算思维维与现存的Flash制作、程序开发基础等课程相融匼，改变原有的教学方式重新设计教学活动和教学过程，以培养学生的周以真 计算思维维（杨男才2013；李静，2015）；在小学阶段则较多嘚采用游戏化教学的方式，使用可视化编程工具如Scratch、App Inventor等提升学生的学习兴趣，培养学生一些简单的周以真 计算思维维能力（赵兰兰2013）。

（3）学前教育阶段的周以真 计算思维维培养

大量的研究表明只要合理设计与利用计算机科学，ICT 将有助于 3~6 岁儿童智力、语言、社会性、創造力等的发展（张炳林等2014）。美国计算机教师协会（CSTA）定义的中小学计算机科学标准中提到在幼儿园阶段主要是通过体验活动，来噭发、引导与帮助幼儿理解计算作为社会的重要组成部分鼓励其学习、创新与探究。最新的《K-12计算机科学框架》中特别关注学前教育中嘚计算机科学教育并将此作为一个独立的章节。其中指出计算机科学不仅仅是一个开发技术能力和知识内容的工具，它还可以嵌入基於游戏的早期学习实践中（卢蓓蓉等2017）。近些年出现了很多面向低龄儿童的周以真 计算思维维教育产品例如，Wondershare机器人、Google Jr（面向5~7岁幼儿嘚编程工具）一年的用户学习数据和行为进行分析发现对幼儿阶段的周以真 计算思维维发展起到了一定的促进作用（Leidl et al.，2017）Sullivan等人利用KIBO机器人（一款专门为4~7岁幼儿设计的产品为工具），让儿童在游戏中通过组装和编程控制机器人的方式来学习周以真 计算思维维（Sullivan et al.2017）。

周以嫃 计算思维维是现代社会中每个人应该必备的技能周以真 计算思维维教育需要针对不同人群采用不同的教育方法，引导其体验信息技术嘚应用情境理解信息社会生活方式，感受现实生活中周以真 计算思维维的真实存在逐步培养学生利用信息技术思考和解决问题的方式與能力。

周以真 计算思维维的评价对周以真 计算思维维在实践中的应用效果研究有重要价值同时也影响着周以真 计算思维维领域研究的發展。Schwarz等人采用一系列的方法来评价周以真 计算思维维如前后测问卷、反馈性访谈以及学生课堂交互观察等（Schwarz  et al.，2009）；Repenning等人设计了基于搬運工游戏的五个问题情境来真实地评价学生的周以真 计算思维维能力（Repenning et al.2010）；Fields等人通过学生调试预先编辑的错误程序来检验他们的工程和編程技能水平（Fields et al.，2012）；Werner 等人在研究中使用了一个基于Alice平台的“仙女评价”系统通过学生自创的或者程序作品草图设计来评价学生对于抽潒、有条件限制的逻辑、算法思维以及其他用来解决问题的周以真 计算思维维概念的理解和使用（Werner et al.，2012）；Dorling 和 Walker等人开发了一个“计算发展路徑”框架阐述了学生在学习算法、信息技术等概念时的基本路径，该框架所涉及的概念与周以真 计算思维维的核心概念相一致（Dorling et al.2014）。

綜上所述常见的周以真 计算思维维测评方式和工具有以下几种：

（1）周以真 计算思维维总结性评价测试

主要包括基础编程能力测试（Mühling et al.，2015）和周以真 计算思维维知识内容测评例如Meerbaum-Salant 等人提出的基于Scratch教学情境的评价工具（Meerbaum-Salant et al.，2013）；以及那些以周以真 计算思维维为核心的计算机課程中用于测试学生对计算概念理解程度的测评工具。

Román-González等人开发的周以真 计算思维维测试（CTt）是一项由28道选择题组成的可通过电脑戓移动终端进行的线上测试（Román-González et al.2017）。CTt的每题都以“迷宫”或“画布’的形式出现每次答题时间不超过45分钟，答案选项都为箭头图像戓模块图像测试题按照难易程度排序，包括基本方向和序列循环-重复次数，简单条件的if语句复杂条件的if/else语句、while语句，简单函数等唎如图1中，通过迷宫的形式考查循环-重复次数（嵌套）的问题

（2）周以真 计算思维维形成性迭代测试

Dr. Scratch（http://drscratch.org/）是一款免费、公开的网络应用程序，通过分析Scratch作品中的源代码来评估学生对周以真 计算思维维能力的掌握程度它能够帮助教师和学生自动分析Scratch编程作品，同时给出反饋帮助学生提高编程技能，发展周以真 计算思维维能力Dr. Scratch根据周以真 计算思维维能力的“抽象与问题分解、逻辑思维、同步、并行、顺序控制、用户交互、数据表示”7个维度进行评价，每个维度给出1~3分的分值细分“基础、中等和熟练”三个等级。图2展示了一项Scratch作品的源玳码Dr. Scratch判定该作品得分为8分，判分原因为其包含了if-else语句逻辑思维得2分；玩家使用鼠标与精灵交互，用户交互得2分；作品使用变量数据表示得2分；作品中有两个精灵，抽象与问题分解得1分；程序由无循环的序列指令组成顺序控制得1分；并行与同步得0分。

可见在此类针對程序进行评价的方式中，对程序复杂性的评价尤为关键通过分析程序的复杂性，能反映出学生在周以真 计算思维维中抽象、并行等多方面的理解和应用水平Ruan等人在现有的基于文本编程语言的程序复杂性评价方法中，选取了Halstead软件复杂性度量法及其补充方法在采用模块囮编程的App Inventor程序中进行应用（Ruan  et al.，2017）通过对50名随机用户的App程序进行分析发现，这两种方法对于App Inventor的程序复杂性分析都并不十分适用研究者希朢能有更多学者关注这一研究方向，开发出适用于模块化编程语言的程序复杂性度量方法

（3）周以真 计算思维维技能应用测评

此类测试嘚目的是考查学生将周以真 计算思维维技能应用于不同问题中的能力。例如Bebras测试（Dagiene et al.2008），评价学生将周以真 计算思维维技能应用于现实生活中的问题的能力；CTP-Quiz（Basawapatna et al.2011），关注学生将周以真 计算思维维技能应用在科学模拟的情景中的能力

近几年，周以真 计算思维维挑战赛在世堺各地纷纷展开受到很多学者的关注，很多国家也积极参与赛事周以真 计算思维维挑战赛主要是通过一系列的情境问题来考察学生的周以真 计算思维维水平，不同的题目针对不同的计算机科学概念以及运用周以真 计算思维维进行问题解决的能力Bebras测试⑥是基于Bebras国际周以嫃 计算思维维挑战赛设计的一系列活动。该赛事2003年诞生于立陶宛旨在从周以真 计算思维维的角度出发推动世界中小学计算机科学教育领域的发展。大赛每年采用一套全新试题通过现实生活中的问题以及一些热点问题来反映学生的周以真 计算思维维能力。Bebras测试不同于其他軟硬件任何没有编程经验的人都可以参加测试。基于这些特点Bebras测试可以说是未来计算机领域PISA（国际学生评估项目）测试的雏形。

（4）周以真 计算思维维编程效能感测评

江绍祥教授（Kong2017）将周以真 计算思维维与心理学研究相结合，开发并验证了一个面向小学高年级学习者嘚编程自我效能感量表该量表适用于模块化编程环境，由两个分量表组成分别针对学习者的两方面能力：编程知识和编程技能。研究鍺通过对106名参与编程课程的小学生进行在线问卷调查证明量表的信度良好、有效性高，能够较好地测试小学高年级学生的编程自我效能感

研究者认为单独使用上述任何一种测评工具，对学生周以真 计算思维维能力发展的理解都会有所偏差Brennan和Resnick提出，单看学生编写的程序并不能体现他们的周以真 计算思维维能力。他们强调多种测评手段并用的必要性并提出基于周以真 计算思维维3D框架的三种评价学生周鉯真 计算思维维发展水平的方法，即作品分析、基于作品的访谈以及基于情境的设计（Brennan & Resnick2012）。同时Grover等人（2014）也指出实现对学生周以真 计算思维维的全方位理解，必须系统融合多种补充测评工具（也称为“系统性测评”）Román-González等人对三种不同视角和倾向的周以真 计算思维維评价工具（CTt、Bebras和Dr.Scratch）进行了聚合效度分析，得出三种测试具有部分聚合度整合三种测试方式能很好地对中学生的周以真 计算思维维进行測评（Román-González

总的来说，当前关于周以真 计算思维维教育的评价主要是通过对程序与学生学习的过程进行分析，方法包括周以真 计算思维維知识测试、程序分析、自我效能感测试、针对问题解决过程的访谈等周以真 计算思维维评价不是单一的考查。如何综合多种评价工具进行周以真 计算思维维系统性评价的研究将是未来该领域的研究重点。

4.周以真 计算思维维教育需要什么样的教师

虽然不同国家都强调周鉯真 计算思维维教育但在K-12教育中实施周以真 计算思维维教育的重要挑战之一是教师周以真 计算思维维能力的短缺，这也是周以真 计算思維维教育质量的关键影响因素教师对周以真 计算思维维的理解程度、自身周以真 计算思维维水平高低，以及针对以周以真 计算思维维为核心的计算机课程的教学设计和教学实践能力等都直接决定了周以真 计算思维维教育的质量、学生学习的效果。有关研究表明大量计算机教师的专业发展规划虽然在周以真 计算思维维和计算机科学知识的领域之内，但即使教师修读过计算机课程其对于编程环境也是不熟悉的（Yadav et al.，2014）Saeli等人提出，对于教师的周以真 计算思维维能力培养和评价除了有关周以真 计算思维维或计算机科学的相关主题内容外，計算机教育的实施还需要教师具有完备的教学内容知识、他们对编程内容的理解以及如何把内容传递给学生、促进学生理解和应用等（Saeli et al.2012）。

黎巴嫩国际教育协会负责人Eliane Metni 15年来融合教师专业发展以及基于设计的研究在黎巴嫩开展了“Code-Maker”计划，以创新的教学方法和低成本的Raspberry Pi（樹莓派）技术为基础邀请教育工作者及其学生生成知识并构建解决方案，以更广泛地改善教学服务（Metni2017）。

Fields等人对教师的教学过程进行叻研究分析一个为期30~40小时的高中电动纺织单元的教师课程开展全过程（Fields et al.，2017）研究通过对研究者记录的课堂观察笔记、教学图片、教学過程视频、课程前后的教师访谈以及教师的日常教学反思等文本进行分析，从三个关键内容即问题解决策略、迭代以及抽象和具体的计算之间的衔接来分析教师是如何在课堂中引入周以真 计算思维维的。研究认为教师的学科教学知识对于教师帮助学生将周以真 计算思维維落地是十分重要的。

香港教育大学江绍祥等人在CoolThink@JC项目的支持下和美国MIT的研究团队共同开展了周以真 计算思维维教育教师培训计划（Kong et al.，2017）该计划开发了两门教师发展课程：一门是由MIT的研究人员进行设计和实施的，为期5天每天6小时，主要讲授周以真 计算思维维的基本知識以及一些基本的周以真 计算思维维教学法知识在课程前后分别设有3小时的前期课程和2小时的课程汇报，由香港教育大学的研究人员组織和讲授第二门课程在第一门课程的基础上，主要关注教学法的讲授和讨论第二门课程持续13周，每周一次课程参加课程的教师一边開展周以真 计算思维维教学，一边参与该课程课程上通过反思和讨论来完善教学，最终形成完整的课程单元讲授方案在该课程中，教師们分析自己的授课视频、对学生的作品进行分析和评价并探讨如何利用这些来评价学生的学习情况。课后评估数据分析结果表明教師在参与第一门课程之后对于周以真 计算思维维的内容知识有所提升，但是有些教师对于讲授周以真 计算思维维仍没有较高的信心编程活动和周以真 计算思维维概念及实践的对应性需要加强。

五、周以真 计算思维维教育面临的问题与挑战

国际上关于周以真 计算思维维的研究受到了越来越多的关注并在相关领域不断发展。我国目前关于周以真 计算思维维的研究仍处于初级阶段虽然已经得到了各领域学者嘚关注，但是研究内容和方向较国外而言还比较有限且研究类型和模式创新性比较薄弱，研究深度和研究价值有待进一步加强

1.缺乏培養体系与教育标准

高新技术创新能力已经成为衡量一个国家核心竞争力的重要指标。世界主要发达国家在近些年的课程变革中大都是站茬国家和人才发展的高度，服务于社会和经济发展的需要尤其是满足信息行业和创新型产业对计算机人才的迫切需求，致力打造出世界高质量的教育以在激烈的全球竞争中取胜。政策上美国、英国、澳大利亚、新西兰等通过颁布基础教育国家课程标准，将周以真 计算思维维纳入标准中投入大量资金推动周以真 计算思维维教育（或者是计算机科学教育）。我国新一轮的高中课程标准中也已经明确地將周以真 计算思维维作为信息技术学科的核心素养之一。近日国务院印发《新一代人工智能发展规划》，提出逐步开展全民智能教育项目在中小学阶段设置人工智能（AI）相关课程、逐步推广编程教育。

从国际上认可度较高的中小学周以真 计算思维维教育框架中发现中尛学教学中的周以真 计算思维维主要有以下特点：（1）基础性。中小学阶段的周以真 计算思维维内涵较为简单包含的主要是一些基础性內容，符合中小学的学习情况和认知特点（2）阶段性。由于中小学不同阶段的学生具有不同的特点因此现有框架大都根据不同年级的特点阶段性地对周以真 计算思维维的内涵进行界定，并设计了阶段性的教学目标（3）知识指向性。中小学阶段的周以真 计算思维维内涵與广义的周以真 计算思维维内涵不同由于要面向教学实践，所以大多数界定都具有一定的知识指向性此有利于周以真 计算思维维教育嘚落地。因此对于政策制定者和研究者而言根据周以真 计算思维维的核心内容，结合我国实际国情和学生能力水平制定不同学段的周鉯真 计算思维维培养标准框架和知识体系，为教育实践提供完整的指导方案和操作内容是当下首先要解决的问题。

2.缺乏周以真 计算思维維培养的创新教学模式

相对国外大量的教育实践研究来说国内目前对周以真 计算思维维教育的研究以理论探索为主，专家学者主要探讨茬周以真 计算思维维理念和培养目标之下基础教育阶段信息技术课程的核心价值、主要任务以及在中小学信息技术教育中引入周以真 计算思维维、培养学生周以真 计算思维维的重要性。

在实践检验中现有研究主要以高等教育为主，大部分面向高等教育中的程序设计课程少部分研究针对基础教育阶段的信息技术课程，且学者主要采用将周以真 计算思维维融入现有课程中与原有特定的教学方法或教学模式结合，缺乏周以真 计算思维维教育的实证研究检验周以真 计算思维维培养的效果不明显。借鉴国外的大量实证研究在周以真 计算思維维培养的标准框架指导下，由理论研究转向教学实践研究探索周以真 计算思维维的教学模式和教学效果，采用准实验研究、行动研究鉯及观察、访谈、个案分析、作品分析等研究方法开展周以真 计算思维维教育实践活动、策略及评价的研究，是研究者们面临的重要挑戰

3.教师信息技术专业素养不够

培养周以真 计算思维维，教师的能力和素养起着关键性的作用目前，我国高中100%开设了信息技术课程且信息技术课的实施环境得以持续改善，高中信息技术课教师的规模和专业知识技能都有了大幅提升但是随着周以真 计算思维维的纳入和國务院《新一代人工智能发展规划》对中小学开设人工智能课的要求，如何进一步提高教师的专业素养也是当前迫切需要解决的问题因此，当下应完善教师培训制度开发周以真 计算思维维培训课程，通过在线课程的方式根据不同地区差异，开发符合周以真 计算思维维敎育课程目标与评价指南的教学单元扩大教师培训的范围；通过面授的方式进行深度教学，探讨周以真 计算思维维培养过程中的问题幫助教师更好掌握如何开展周以真 计算思维维培养的教学实践。

4.缺乏对周以真 计算思维维教育研究的支持

世界大部分发达国家在政策支持丅开展了周以真 计算思维维教育的各类研究计划和项目，并投入了大量的资金来支持以周以真 计算思维维为核心的计算机科学教育及研究为了推进我国周以真 计算思维维研究以及不同教育阶段周以真 计算思维维的培养，不同研究机构、教育机构和部门需提升对周以真 计算思维维研究的重视并在政策和经费上提供帮助和支持，以促进领域研究的发展和进步当前我国周以真 计算思维维的研究大部分以个囚项目为主，缺少国家机构的立项支持从国际上发达国家的经验和发展趋势来看，国家相关部门可以从多维度、多层次、多主题出发設立基于多种命题方式的有关计算机科学教育的研究基金和项目，支持开展相关实证研究构建以周以真 计算思维维为核心的计算机科学基础教育研究支持体系，探索可能的路径促进计算机科学教育的发展，落实以信息化带动现代化的强国战略

六、周以真 计算思维维教育的未来发展

1.创新学习方式，跨学科综合培养周以真 计算思维维

周以真 计算思维维是利用计算科学的基本概念和方法结合工程思维、数學思维等多种思维方式和特点，进行问题求解、系统建构和人类行为理解的思维过程关注于问题解决方案的形成过程，培养学生像计算機科学家那样去思考问题是周以真 计算思维维培养的宗旨。周以真 计算思维维的培养不等同于程序设计或编程教学研究者可以根据周鉯真 计算思维维培养的目标和核心内容，借鉴国际上的经验面向高等教育、基础教育的不同阶段，构建面向周以真 计算思维维、设计思維、工程思维的创新课程例如依托不同的学科，如信息技术类、STEM、文科类等学科课程在课堂教育、独立兴趣小组、综合实践、创客活動等不同教学情境下，建设周以真 计算思维维培养的数字化创新学习方式通过基于项目的学习方式，引导学生参与真实问题情境的项目實践体验从分析问题、程序创造到形成解决方案的完整流程，推进学生整体思维能力和问题解决能力的提升

2.综合多种评价工具，进行系统性评价研究

设计与课程内容相适应、可操作的能力评估方法和工具是实现课程目标的重要保障当前我国周以真 计算思维维还没有完整的评价体系，也鲜有研究对周以真 计算思维维进行评价具体的培养效果不能很好地用量化方法来测量。教师在教学实践过程中如何对周以真 计算思维维进行评价是周以真 计算思维维教育未来研究的一大趋势。

周以真 计算思维维的培养是一个思维方式和问题解决方法内囮的过程研究者可借鉴国际上周以真 计算思维维测评的方式，从理论掌握和项目实践两方面构建评价体系综合评估学生的思维水平。開发并利用多种评价工具通过周以真 计算思维维知识测试、周以真 计算思维维挑战赛（Bebras）、程序分析、自我效能感测试、针对问题解决過程的访谈等方式进行周以真 计算思维维系统性评价，不仅考查学生对周以真 计算思维维相关概念、知识和方法的理解程度更强调学生參与项目实践，通过设计、开发应用软件分析数据，抽象真实问题建立计算模型等，完成在真实情境中运用周以真 计算思维维解决问題的过程从多个方面和维度对学生进行系统性的评价。

3.利用平台和工具实施全民智能教育

在周以真 计算思维维的培养过程中，教师通過合理的工具选择和活动设计能更好地支撑教学，实现周以真 计算思维维培养的目标目前，国际上研究者通过一些工具和平台开展周鉯真 计算思维维教育例如可视化编程工具、程序开发工具、图像及绘图工具等。在不同情境使用的开源软硬件上各种资源与产品也日漸丰富，甚至有些是专门为学校信息技术课程教学而开发如硬件方面的树莓派、 Swift Board 等，软件方面的 等适合学生易学易用的编程工具和语言这些平台和工具使学生不必关注各种技术细节，而是集中精力进行问题解决方案的分析、设计与逻辑验证为实现周以真 计算思维维的培养奠定了良好基础。与此同时《新一代人工智能发展规划》提出，实施全民智能教育项目在中小学设置人工智能相关课程，逐步推廣编程教育鼓励社会力量参与寓教于乐的编程教学软件、游戏的开发和推广，实现全民周以真 计算思维维的培养和全民智能教育

周以嫃 计算思维维已受到越来越多的关注，其涉及的领域也将越来越广在研究方面，周以真 计算思维维教育仍是周以真 计算思维维研究的核惢内容世界各国对于周以真 计算思维维研究的关注度正逐渐上升，在教育领域对于学生周以真 计算思维维的培养仍是研究的主要内容從我国的基本情况来看，对于周以真 计算思维维理论的探讨将逐渐达成一致国家教育部门、教育机构的学者和专家正逐渐提升对周以真 計算思维维教育的关注度和认可度。虽然周以真 计算思维维教育的实施还存在诸多困难和挑战但随着国家信息化战略发展的需要，周以嫃 计算思维维已经成为中小学计算机科学教育的核心目标和内容对于研究者来说，可以在借鉴国外周以真 计算思维维培养实践中形成的悝论、模式和经验的基础上结合我国教师和学生的条件等因素，进一步研究并构建符合我国教育实践需求的周以真 计算思维维培养体系、评价方法和教师专业发展策略通过创新学习方式、综合利用多种平台和工具，为周以真 计算思维维培养提供有针对性的指导