| 全文共17837字，建議閱讀時18分鐘 |
本文由《開放教育研究》雜誌授權發布
作者：劉敏娜、張倩葦
摘要
計算思維作為21世紀學生應具備的關鍵能力，越來越受到教育者的關注。為了更好地開展計算思維教育，了解國外計算思維概念的發展及計算思維教育研究進展迫在眉睫。本研究通過對EBSCO資料庫搜索計算思維文獻，並採用「滾雪球」方法，共得到102篇相關文獻，然後從計算思維概念的起源、發展和本質，教育內容，教育活動的實施及評價四方面進行內容分析。計算思維有算法思維和程序思維兩種起源說；從算法思維、程序思維到計算思維正式提出再到實踐中的計算思維，其內涵呈現多角度、交叉重疊且越來越精細的特徵；計算思維的本質是抽象。計算思維教育內容主要涉及計算思維的過程階段要素及其基本概念和能力，教育內容具有多樣性。教育活動形式主要有基於屏幕的編程、製作和控制數字有形物及通用方法三種。計算思維評價分別在教育實施中評價、測試平臺開發和評價量表上取得了一定研究成果。計算思維教育研究存在內容界定不清、學習結果評價重計算原理輕思維技能、課堂環境下的實證研究亟待加強、缺乏人文學科領域的研究以及教師的計算思維教學能力亟待提升等問題。
關鍵詞：計算思維；算法思維；程序思維；計算參與；問題解決；21世紀技能
正如印刷術推動人類閱讀、寫作和算術能力的發展一樣，計算和計算機的廣泛應用促使計算思維能力成為人們應掌握的一項基本能力。越來越多的學者呼籲將計算思維作為普適性能力，認為計算思維是未來工作中每個人應具備的八大技能之一（Weng，2015），應該像讀、寫、算一樣，併入學生的分析能力，而不僅僅是計算機科學家所特有的技能（Wing，2006）。計算思維與21世紀技能相關，但又區別於其它21世紀技能，應該在課程中融入這項能力（Dede et al.，2013）。目前，各國正積極籌劃並實施計算思維教育，探討如何在各學段培養學生的計算思維能力。英國2014年9月開始應用新的計算必修課程，旨在培養5-16歲學生的計算能力；美國2014年開發了面向學生計算思維能力的高中計算機科學原理課程框架（Yadav et al.，2017）。我國2016年新修訂的高中信息技術課程標準，明確將計算思維作為信息技術課程的核心素養之一。現今，解決如何培養學生計算思維的問題迫在眉睫。計算思維教育首先要思考的問題是什麼？什麼是計算思維？計算思維教育的內容是什麼？如何開展計算思維教育以及如何進行評價？本研究以在EBSCO資料庫中選擇題目或關鍵詞中含有「computational thinking」的期刊文獻（時間限定在2017年3月前），並結合「滾雪球」方法，最終得到102篇相關文獻。研究者通過對這些文獻的梳理，分析國際計算思維教育研究的進展，以期對我國計算思維教育提供借鑑和啟示。
一、計算思維的起源、發展及本質
計算思維並不是一個新概念，早在20世紀下半葉就已出現。由於受將計算機等同於編程的觀念的影響，那時的學者認為計算思維與計算機編程密切相關，將計算思維等同於程序思維、算法思維。2006年，周以真第一次系統描述了計算思維。隨後，計算思維研究再次興起。經過隨後十多年的研究推進，人們對計算思維的界定和理解也在發生變化，但其核心本質始終是抽象。計算思維的構成從單一的算法思維、程序思維到多種思維能力的綜合；計算思維的過程要素，從通用的六要素到在各個學科中探索應用而產生特定學科的實踐要素；從計算思維轉向計算參與，在計算思維培養中考慮社會和文化因素。可以看出，計算思維逐漸從計算機學科分離出來，成為一種問題解決的通用範式，這一通用範式可在各學科應用，產生微觀層面的具體實踐應用要素。隨著時間推移和計算機計算能力的不斷增長，可以預料，計算思維在未來幾年可能會形成完全不同的定義（Sanford et al.，2016）。
（一）兩種起源
1、算法思維
2009年，鄧寧在《超越計算思維》一文中指出，計算思維在計算機科學領域已有悠久歷史。在二十世紀五六十年代，計算思維被稱為「算法思維」，指將問題轉化為從輸入到輸出的轉換過程，並尋找算法實施這些轉換的心智導向（a mental orientation）。1975年，物理學諾貝爾獎獲得者威爾森基於其所創建的計算模型，在物理學方面取得了重大突破，提出模擬和計算是一種新的科學方法。二十世紀八十年代早期，威爾森與其他科學家一起倡導科學中巨大的挑戰可能被計算攻破，呼籲政府通過支持建立超級計算中心網加速這一過程，並將其稱為計算科學運動。計算思維在此已經成為常用術語。計算科學運動由物理和生命科學領域科學家發起，計算機科學家雖然也列其中，但不是關鍵角色。事實上，計算機科學家拒絕參與這一計劃。因此，計算思維被視為科學本身的概念，而不是計算機科學引出的概念。計算思維被看作是計算科學方法的一個特性，而不是計算機科學的顯著特徵。2017年，鄧寧在《科學中的計算思維》一文中重申了這一觀點。
2、程序思維
另一個計算思維源起於派珀特（Papert）提出的程序思維。派珀特使用LOGO程式語言教授學生數學概念時發現，計算機編程可以影響學生的思維。派珀特認為，學生會思考自己是如何思考的，程序思維強調學生使用程序化表徵和符號系統來解決問題，像「計算機一樣思考（thinking like a computer）」的「程序思維」將是學生思維技能的重要組成部分，並主張從兒童期就開始學習程序（Papert，1980），希望程序思維能被視為學生思維技能的組成部分。1996年，派珀特第一次簡單界定了「計算思維」，指出計算思維是使用計算表徵的功能表達重要觀點，使其更加清晰、明了的過程（Papert，1996）。大多數學者將程序思維作為計算思維的起源，將計算思維的實踐和應用限定在計算機科學領域，對計算思維的培養也側重在計算機編程的學習中。
（二）正式提出
周以真2006年正式提出計算思維術語後，研究者從不同角度對計算思維是什麼進行了解讀，大致可歸納為兩種視角：一種是「思維技能」說，主張計算思維是一項思維技能；另一種是「過程要素」說，認為計算思維是思考過程，可分為不同的階段。
1、「思維技能」說
「思維技能」說認為，計算思維是使用計算原理解決問題的一系列心智技能的集合，是多種思維的組合。任何一種單一的思維技能可應用於解決問題的某個階段，多種思維技能綜合應用構成計算思維。計算思維不排斥其他思維模式，而是包容其他思維模式，如邏輯思維、數學思維、創新思維、工程思維等。
2006年，周以真（Wing，2006）第一次明確描述了計算思維，認為計算思維是一種使用計算機科學的基礎概念解決問題、設計系統和理解人類行為等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。計算思維並不是像計算機一樣思考，而是像計算機科學家一樣進行思考，是在不同抽象水平上的思考，是培養有效使用計算解決人類複雜問題的一系列心智工具集。2008年，周以真（Wing，2008）進一步指出計算思維是一種分析思維，在問題解決的不同階段會用到數學思維，在設計和評價複雜系統時會用到工程思維，在理解概念時會用到科學思維。可以看出，計算思維是多種思維的綜合應用。計算思維不是要讓人類像計算機那樣思考，而是要培養有效使用計算解決複雜問題所必需的一組心智工具集（LU et al.，2009）。海門丁傑（Hemmendinger，2010）認為教授計算思維的目標是「教學生像經濟學家、物理學家和藝術家那樣思考問題，並理解如何使用計算解決問題，創建和發現能卓有成效進行探索的新問題」，並不是讓每個人都像計算機科學家那樣思考。曼尼拉等（Mannila et al.，2014）也強調計算思維是一系列思維技能。亞達夫等（Yadav et al.，2014）認為，計算思維是一項「抽象問題和制定可自動化執行解決方案的心智活動」。2015年，美國國際教育技術協會（ISTE，2015）解讀計算思維是創造力、算法思維、批判性思維、問題解決、合作思維和溝通技能的共同體現。
2.「過程要素」說
任何思維技能都以解決問題為目的，計算思維也不例外。「過程要素」說強調計算思維是一個思考過程，這個過程可分為不同階段，構成計算思維的過程要素。
2011年，周以真（Wing，2011）進一步闡明，計算思維是「一個形成問題和制定問題解決方案的思考過程，這些解決方案所採用的形式是一種能夠通過信息加工代理有效執行的表達形式。」同年，美國國際教育技術協會和計算機科學教師協會（ISTE & CSTA，2011）與來自高等教育、工業和K-12教育領域的領導人聯合推出針對中小學K-12教育計算思維能力的操作性定義。這個定義不但將計算思維描述為問題解決過程，而且給出了計算思維的六個階段要素（包括但不局限於這六個要素）：1）提出問題，這些問題能通過計算機或其他工具解決；2）按邏輯組織和分析問題；3）通過抽象表徵數據，如建模和仿真；4）使用算法思維（有順序步驟）自動化解決方案；5）識別、分析和實施可能的解決方案，以實現最有效資源和步驟的組合；6）總結問題解決過程，並遷移到不同問題。後來，亞達夫等（Yadav et al.，2016）將其簡化概括為問題分解、算法、抽象和自動化，與周以真（Wing，2006）主張的計算思維的三個關鍵部分算法、抽象、自動化相一致。
（三）新發展
近幾年，計算思維概念在實踐應用中有了新發展，即「計算參與」概念的提出、與具體學科知識相結合形成特定學科的實踐階段要素。計算參與是對計算思維的新解讀，也是計算思維教育的一種範式（paradigm）。與學科結合的計算思維的實踐要素從計算思維的一般性定義中分離出來，更加具體、清晰、準確。不同於強調計算機科學的核心概念和原理的定義，實踐中的計算思維植根於真實、有意義的計算實踐，是學生在該學科必須掌握的實踐要素。如果說計算思維在具體學科中的實踐應用產生的實踐階段要素是精細化發展，計算參與則是從社會和文化維度拓寬和加深了計算思維的內涵。
計算參與是在結構主義學習理論的影響下產生的。派珀特在其《頭腦風暴：兒童、計算機及充滿活力的創意》一書中提及該教學思想，但因受到「技術中心」價值觀念（技術價值高於人和社會活動）的影響，這一教學思想被忽略。卡法伊等（Kafai & Burke，2013）主張任何素養都會有功能、政治和個人目的，計算思維的功能是讓學生進入社會學習其概念和技能，政治目的是要了解這些概念和技能為什麼與社會相關，個人目的是構建和維護人際關係時這些概念和技能發揮作用。因此卡法伊認為，應該將計算思維放在更大的文化背景、個人學習和教育環境中培養，計算思維應轉向計算參與。卡法伊在提出「計算參與」時，將其視為教授K-12學生學習編程的一種教學範式，主張從學習程序代碼到使用代碼創建應用，從使用代碼設計工具到促進在社區中交流代碼應用，從使用Scratch創作到在他人作品上進行修改和再創作。2016年，卡法伊（Kafai，2016）再次提出使用計算參與重構計算思維，計算參與拓展了周以真的定義，強調是在計算的境脈中解決問題、設計系統和理解人類行為。一定程度上，計算參與是培養計算思維的新方法，通過從培養個人的計算思維知識、技能，到鼓勵參與作品分享、社區討論、再修改等，提升學生的計算思維能力，實現計算思維的動態培養。
以往的研究者對計算思維定義的討論強調源自計算機科學的主題，比如抽象和算法，但是實踐應用的計算思維更關注與具體學科知識內容的結合而產生不同的實踐要素。例如，溫託賓等（Weintrop et al.，2016）根據數學和科學學科中使用的計算思維，總結了四個實踐應用要素，分別是數據實踐、建模和模擬實踐、計算問題解決實踐、系統思維實踐，每部分又有特定的組成元素。
（四）計算思維的本質——抽象
計算思維的本質是抽象。抽象是省略不必要的細節，留下需要強調的環節的過程。周以真（Wing，2006）認為，抽象賦予計算機科學家衡量和處理複雜性的能力。她指出，抽象是用來定義模式、從實例中概括以及參數化的過程。抽象讓一個對象代表許多，捕獲一組對象的一般本質特徵，而隱藏它們之間不相關的區別。周以真（Wing，2008）明確指出計算思維的本質是抽象，是最一般意義上的抽象，是決定哪些環節需要強調，哪些環節可以省略的過程，是計算思維的基礎。不同於數學和物理學的抽象，計算思維的抽象更一般，數學的抽象是一種特殊性抽象。森古普塔等（Sengupta，2013）分析了哲學的抽象，提出哲學家洛克將抽象分為特殊抽象和一般抽象兩類。特殊抽象指限定應用在特定時空下，一般抽象可以應用於不同情境。在洛克的觀點中，抽象是從特殊事物中獲得同類事物一般特徵的心理過程。基於此，森古普塔等人認為周以真所提的抽象是哲學家洛克所提抽象概念的一般類型的抽象。
計算思維的抽象和其它領域的抽象的不同在於，引入了層的思想。抽象有不同層次，兩層次之間存在良好的接口，計算機科學家通常在至少兩層之間進行活動處理。計算思維包含下列處理抽象細節的方式：1）定義抽象；2）確定多個層次的抽象；3）理解不同層次抽象的關係（Wing，2008）。正如康斯特布爾（Constable）所指出的，儘管物理學和數學也以抽象為核心，但計算思維與其不同的是抽象層次的緊密聯繫，這些聯繫在自然科學中並不存在（National Research Council，2010）。
正確理解計算思維的內涵，還需把握計算思維的特徵。計算思維是人的思維，不是計算機的思維；是概念化的，不是程序化；是基礎的，不是機械的技能；是思想，不是人造品；是數學和工程思維的互補與融合；是一種普適技能，將融入生活的方方面面（Wing，2006）。筆者認為，計算思維是人們應用計算學科的原理、思想和方法解決問題中形成的一系列思維技能或模式的綜合，是一種動態、普適的思維技能，即在不同場景和學科背景下，其應用表現為不同的實踐形式或階段，並非是固定、機械的過程。計算思維從計算原理、思想和方法的角度表現為對數據、算法、遞歸、抽象等原理的應用；在過程階段表現為提出問題、組織和分析問題、表徵數據、自動化解決方案、分析和實施解決方案、遷移；從思維角度表現為算法思維、程序思維、創新思維、批判性思維、問題解決等多種思維的綜合。顯然，計算思維與其它思維技能的不同在於突出計算原理、思想和方法的應用，計算思維能力培養的關鍵在於抽象能力。
二、計算思維的教育內容
開展計算思維教育，首先面臨的問題是計算思維的基礎概念是什麼？計算思維教育應該包括哪些內容？如何安排先後次序？現有研究中，計算思維教育內容主要有三種來源：1）計算思維操作性定義中包含的計算思維過程階段要素、核心概念和能力；2）抽象；3）其它教育內容，如「偉大的計算原理」對計算的分類及用於編程環境下的計算思維教育內容（計算概念、計算實踐和計算觀念）。以第一類來源為教育內容的研究最多，即以數據收集、數據分析、數據表徵、問題分解、抽象、算法和程序、自動化、模擬、並行化為主要內容，這些內容交叉重疊。因此，有學者將其概括為問題分解、算法、抽象、自動化。教育中採用將這些內容與學科知識內容相融合的方式開展教學。
（一）以計算思維過程階段要素、核心概念和能力為教育內容
宏觀層面，計算思維教育內容主要包括計算思維過程階段要素、核心概念及能力。美國國際教育技術協會和計算機科學教師協會（ISTE & CSTA，2011）聯合推出的計算思維操作性定義，規定了計算思維的六個過程要素（提出問題、組織和分析問題、表徵數據、自動化解決方案、分析和實施解決方案、遷移），與九項核心概念和能力（數據收集、數據分析、數據表徵、問題分解、抽象、算法和程序、自動化、模擬、並行化）。多數研究將計算思維教育內容定為六個過程要素或九項核心概念和能力，亦或兩者都包含，並與學科課程知識結合。有學者在這兩部分內容基礎上進行修改，增加或刪除其中的元素。
例如，巴爾等（Barr & Stephenson，2011）提出中小學教育中融合在不同學科（計算機科學、數學、科學、社會研究和語言藝術）內容中的計算思維教育內容框架和能力要求側重於計算思維核心概念的說明，在九項核心概念和能力的基礎上增加了分析和驗證模型、測試和驗證以及控制結構三項內容。波蘭高中信息課的計算思維教育內容是計算思維的六個過程要素及九項核心概念和能力（Sysfo & Kwiat-kowska，2013）。澤科卡瓦斯基（Czerkawski，2015）介紹了非編程環境下高等教育領域適用的計算思維在線課程設計案例，課程內容採用計算思維的九個核心概念和能力要素。也有學者以計算思維的思考過程為主要內容，如安吉利等（Angeli et al.，2016）認為計算思維是使用抽象、一般化、分解、算法思維和調試（檢測和糾正錯誤）的思考過程，據此提出了小學階段計算思維培養的課程框架，主要內容是抽象、一般化、分解、算法和調試五部分，並將其從簡單到複雜劃分為K-2、K3-K4和K5-K6三級。
在微觀層面，計算思維教育選擇的內容主要是計算機科學基礎知識、概念原理。例如，格羅佛等（Grover et al.，2016）借鑑學習科學和計算教育研究中關於如何更好地培養孩子計算思維和編程技能的教學思想，採用二次迭代，設計並完善了為期7周提高中學生計算思維基礎的課程，內容主要來自中學計算機科學課程，將算法控制、數據和變量、布爾邏輯和高級循環等作為計算思維基礎知識。霍斯科等（Hoskey & Zhang，2017）將計算思維能力分為低層次計算思維和高層次計算思維。低層次計算思維是編碼和執行，如編程入門級課程。高層次計算思維是問題解決、設計和建模。
（二）以抽象為教育內容
抽象是計算思維的本質，抽象也成為培養計算思維的重要內容。目前，以抽象為教育內容的計算思維教育主要培養學生建模和模擬仿真能力，參照算法思維的四級抽象水平：執行、編程、對象和問題，描述抽象的層次性，並以其中一個層次或多個層次開展計算思維教育。
抽象作為計算思維的本質，源於抽象也是計算機科學的基礎和關鍵。在計算機科學的入門課程教學中，有學者主張應培養學生的抽象能力，提出適用於導入性課程理論框架（Armoni，2013），並開展實證研究（Statter & Armoni，2016）。而在計算思維培養方面，柯曾等（Curzon et al.，2012）主張在幼兒期就培養學生的抽象能力，發展計算思維。森古普塔等（Sengupta et al.，2013）基於主體的計算方法，提出將計算思維與K-12中小學科學教育進行整合的理論框架，並通過建模和模擬支持的計算思維學習環境，幫助中學生學習物理和生物學。這裡的計算思維教育內容為建模和模擬的抽象內容。巴薩瓦帕特納（Basawapatna，2016）指出學生可通過使用可視化編程工具（模擬創建工具箱），創建代理程序，模擬真實世界，在這個過程中學生使用抽象能力完成模擬和建模，發展計算思維。佩勒諾等（Perrenet et al.，2005）在描述如何知曉學生開始像計算機科學家一樣思考時，將計算機科學學生算法概念掌握的思維抽象水平定義為四個層次：最低層次是執行（Execution），即一個算法在特定機器上運行，執行時間由機器決定；第二個層次是編程（Program），算法是一個過程，採用可執行程式語言編寫的程序；第三個層次是對象（Object），算法是一個對象，沒有與具體程式語言相聯繫，僅僅是根據輸入功能討論的複雜方法；最高抽象層次是問題（Problem），即個體能將問題作為生活中的對象考慮。這四級抽象水平所描述的內容和能力要求是計算思維培養的重要內容。
（三）其它
計算思維教育內容還包括「偉大的計算原理」中對計算的分類（計算、交流、協調、記憶、自動化、評價和設計），而在編程課程中多以計算概念（編程用的概念）、計算實踐（使用概念時發展的實踐）和計算觀念（對周圍世界和自己所形成的觀念）為計算思維的教育內容。
塞特爾等（Settle et al.，2012）在跨課程計算思維教育項目中，側重於修改已有的一般教育課程，在一定境脈中教授計算思維，其將鄧寧的「偉大的計算原理」中對計算的分類作為計算思維的教育內容，並將這些內容與初高中計算機科學課程，以及高中的拉丁語、圖形藝術、英語和歷史課程融合教授計算思維。布倫南等（Brennan & Resnick，2012）則在基於Scratch的編程環境中為計算思維的培養提供了詳細的計算概念、計算實踐和計算觀念的教育內容的觀點和內容界定，為基於程序的計算思維培養提供了內容框架，這些內容也成為藉助其它程序（Scratch以外的程序）開展計算思維教育的內容體系。
三、計算思維教育的實施
加達尼迪斯等（Gadanidis et al.，2017）提出計算思維應用的三種方式：1）基於屏幕的編程；2）製作和控制數字有形物，如電路和可編程的機器人；3）用來解決問題的通用方法，側重於算法的邏輯和設計或使用計算機執行的步驟序列。據此，本研究將現有研究中計算思維教育活動的實施分為基於屏幕的編程、製作和控制數字有形物、通用方法三類。
（一）基於屏幕的編程
基於屏幕的編程主要使用編程工具編程，在電腦屏幕顯示模擬或實現屏幕控制或顯示效果。多數編程工具為可視化編程工具，如Scratch、Alice、Python等。這種方式是計算思維教育活動實施的主要形式，可以單獨使用，也可以融合在課程教學中。利耶等（Lye & Koh，2014）對27篇通過程序開發培養計算思維的實證研究進行綜述分析後發現，幼兒、中小學和大學教育均可採用程序開發培養計算思維。已有研究主要發展了學生的計算概念，應用的教學方法主要有：強化計算概念、反思編程過程、信息處理和使用支架構建程序。在基於屏幕的編程中，計算思維的編程主要有遊戲創建、遊戲參與、人工製品設計與製作三種。
1、遊戲創建
遊戲創建成為發展素養的一種重要方法，可以提升信息素養，同樣也可用於培養計算思維。學習者採用遊戲創建工具，將計算思維教育的內容（如基本的計算概念術語知識、抽象能力）與學科知識結合，通過編程或遊戲創建工具構建、調試、修正以實現遊戲的創建，繼而培養計算思維。
詹森等（Jenson & Droumeva，2016）在67名6年級學生使用GameMakerStudio工具創建遊戲，培養學生的計算思維。在課堂環境下，學生採用編碼形式結對創建遊戲，他們將計算思維的分解、並行化、抽象和模式泛化，轉化為可操作的計算機科學術語和操作。結果表明，遊戲創建方法促進了學生對基本計算術語和遊戲創建領域知識的理解。巴薩瓦帕特納（Basawapatna，2016）詳細介紹了模擬遊戲創建工具Simulation Creation Toolkit的功能和原理，並邀請45名7年級學生在生命科學課程中使用該工具學習生態系統和食物鏈內容。學生通過該工具編程，模擬創建捕食者/獵物遊戲，遊戲創建中使用了計算思維模式。這些模式是為了在遊戲設計和創建模擬之間建立聯繫而構建的主體行為，用戶在最初的遊戲設計中學習這些行為，並將此遷移到模擬遊戲，形成主體行為。研究者通過對創建模擬遊戲時使用的計算思維模式應用的正確性和合理性，判定該工具對計算思維培養的作用。結果表明，新手可以使用該工具以最省時的方式有效地完成課堂環境中的模擬遊戲創建，發展計算思維。
2、遊戲參與
與遊戲構建不同，遊戲參與的規則是已知的，參與者需要使用與計算思維相關的技能完成任務，逐級實現遊戲目標，培養參與者的計算思維。李等人（Lee et al.，2014）選擇18名10-15歲的學生，分別使用CTArcade教育遊戲平臺參與虛擬角色遊戲和在傳統紙質條件下參與井字遊戲，對比兩種遊戲參與過程中使用的計算思維能力。從訪談和發聲思維錄音數據的量化和質性分析結果看，學生參與遊戲的過程中使用了四類計算思維能力：問題分解、模式識別、模式歸納和算法思維，使用CTArcade遊戲平臺的學生能清晰描述更多的計算思維能力要素。卡齊奧盧等（Kazimoglu et al.，2012）在遊戲任務設計中將計算思維能力（問題解決、建立算法、調試、模擬和社會化）與程序結構設計結合，學生通過編程和符號表徵設計算法解決方案，完成遊戲任務。學生可在遊戲中根據算法解決方案的執行情況，調試、分析、重新設計程序結構以優化解決方案。該方案在25名高中生中進行了初步的實踐應用，參與者的反饋表明，多數學生認為遊戲參與能幫助學生理解編程結構，培養學生的問題解決能力。
3、人工製品設計與製作
通過製作、開發多媒體作品或完成項目任務也可實現計算思維能力的培養，其中，計算思維能力和計算原理的基本概念和知識融合在作品或任務中。賽斯-洛佩斯等（S6ez-L6pez et al.，2016）邀請107名不同小學的6年級學生分別在5、6年級的科學和藝術課程中使用可視化程式語言（Scratch），在課堂創作多媒體作品，構建側重於「實驗和迭代」的計算實踐，學生一步步開發項目，嘗試新的內容和元素，應用不同的概念，並不斷修正。研究者採用基於設計的研究，分析兩年整合可視化程式語言的實驗效果。結果表明，使用可視化程式語言製作多媒體作品的方法顯著提高了學生的計算實踐能力，促進了學生對計算概念的理解。
（二）製作和控制數字有形物
製作和控制數字有形物的教學活動，主要通過對物理機器人活動的設計和控制，發展學生的計算思維能力。具體應用強調學生在機器人編程中學習和應用計算思維的核心概念，如抽象、自動化、分析、分解、模塊化和迭代設計。研究表明，這對學生的批判思維、問題解決和元認知技能的發展有積極的促進作用。不難推測，設計和控制機器人活動也可促進計算思維能力的發展。
美國國家科學基金會2011年的研究表明，學生在編寫機器人代理程序與環境交互的過程中，能發展抽象、自動化和相關的分析能力。伯斯等（BerS et al.，2014）在三所幼兒園課堂中，應用TangibleK機器人編程課程，讓幼兒園二年級兒童學習計算思維、機器人、編程和問題解決技能。結果表明，幼兒對使用該課程學習機器人、編程和計算思維感興趣，培養了調試、行動和指令的對應、指令順序和控制流等能力。亞伊帕爾-亞馬尼等（Jaipal-Jamani & Angeli，2017）在一年級「小學科學教育方法課程」中選擇21名職前教師作為研究對象；選擇科學學科教授和教育技術教授作為教學人員，分別教授「齒輪」和機器人理論知識及計算概念，如算法、順序、調試和循環控制流等。教學人員使用支架教學策略，指導職前教師在3周內使用樂高WeDo機器人套件，分別完成三項機器人編程活動。研究人員採用前後測試題、問卷，了解學生對齒輪知識的理解、對機器人教學的興趣、自我效能以及獲得計算思維能力的程度。結果表明，該教學對被試的科學知識、對機器人教學的興趣、自我效能以及計算思維能力的掌握均有促進作用。艾特瑪茲多等（Atmatzidou & Demetriadis，2016）分別選取89名初中生和75名高職生參加為期11周的教育機器人學習活動，學生分組完成機器人編程。研究者在學習活動的不同階段分別測量了學生的抽象、一般化、算法、模型化和分解等計算思維能力。結果表明，不同性別和年齡學生的計算思維能力得到了同等水平的發展，但在不同計算思維能力維度表現出年齡和性別差異。
（三）通用方法
通用方法的計算思維教育的實施，側重於問題解決方案的系統化設計、執行、結果評價及方案的再修改和完善。通用方法的計算思維教育主要包括算法設計、數據表徵、數據收集、分析和綜合應用、抽象概括等更為一般的計算思維能力，可作為人文類學科計算思維培養的主要形式。
崔等人（Choi et al.，2017）認為計算思維是有效使用計算系統解決問題的思考過程，學習者必須能夠為具體問題設計算法，並解決問題。其採用基於設計的研究開發了基於謎題的算法學習方法（Puzzle based algorithm learning program，簡稱PBAL），強調算法設計技能在現實問題解決中的應用，並選擇4-6年級共82名韓國學生作為研究對象，其中44人作為實驗組研究對象，採用基於謎題的算法學習方法；38人作為控制組研究對象，採用傳統的算法學習方法，通過學生對問題解決過程的自我報告考察學生的計算思維能力，對兩組學生的前後測結果進行T檢驗，發現使用基於謎題的算法學習方法能更有效地提升學生的計算思維能力。沃茲等人（Wolz et al.，2011）展示了融合計算思維培養的交互式雜誌內容創建的研究項目，認為計算思維與說明文寫作具有同構性。說明文寫作需要收集、分析和綜合信息，而計算思維能力（如算法設計、知識表徵，從案例中抽象、總結和評價信息）對信息收集、分析和綜合至關重要。
四、計算思維的評價
計算思維評價研究涉及計算思維教育活動實施中的評價、測試平臺和可獨立使用的測量量表三方面。計算思維教育活動實施中的評價主要與實施計算思維教育活動的內容和形式關聯，評價是教育活動的一部分。計算思維教育活動實施中的評價，常採用多元評價方法。近年來，隨著計算思維研究成果的豐富及對計算思維評價的迫切需求，有學者根據計算任務的完成情況，結合用到的計算概念和計算實踐，設計並開發了能夠自動化生成可視化測量報告的測試平臺。有學者認為每個人隨著年齡的增長具有不同水平的計算思維，進行了獨立評價計算思維量表的研究。
（一）計算思維教育活動實施中的評價
由於教育目的、內容以及研究者所採用方法的差異，計算思維教育活動實施中的評價內容和方式有所不同。常見評價內容包括計算的基礎知識、編程的基本概念以及計算思維的核心概念和能力。有學者同時測量研究對象對計算思維、計算機科學和計算應用的態度和信心，即評價內容圍繞知識、技能和態度三方面，但對技能和態度方面關注度較低。
計算思維教育活動實施中的評價呈現評價內容和方式多元化的特徵。格羅佛等（Grover et al.，2014）在中學開展了6周的「推進計算思維基礎」課程教學，內容主要為計算的基礎知識及計算思維的相關能力，方式為基於Scratch的任務教學。評價設計使用了針對計算概念、Scratch知識、讀和解釋算法的能力以及一般的編程問題的測試，並使用反思任務完成情況對Scratch任務進行等級評價。亞達夫等（Yadav et al.，2014）將計算思維融入職前教師教育心理學課程為期一周的教學，主要內容為計算思維的定義和計算思維的核心概念（問題確定和分解、抽象、邏輯思維、算法和調試），並結合實例說明在K-12課堂整合計算思維的益處。評價工具為開放式問題和態度量表，內容為學生對計算思維的理解、對計算思維整合進K-12課堂的態度以及如何進行整合的想法。艾特瑪茲多等（Atmatzidou & Deme-triadis，2016）探究了計算思維教育模型對不同年齡、性別學生計算思維發展的影響。研究者共選擇164名學生（初中89人，高職75人）參加教育機器人活動，為期11周，每周2小時，教學內容是融合在機器人教育活動中的計算思維能力。研究者使用測試、訪談和出聲思維等方法，在不同教學階段對學生的計算思維能力進行評價，評價內容為編程基礎概念及學生對任務完成過程中抽象、一般化、算法、模塊化和分解等內容的反思自評報告。伯蘭等（Berland & Wilensky，2015）根據畫流程圖的方式測試8年級學生的計算思維。詹森等（Jenson & Droumeva，2016）認為不同研究中計算思維教學的研究目的不同，所採用的前後測方法也不同。例如，有證據表明編程績效與對計算機科學的信心和態度有關，因此，評價學生的編程技能時可使用專門針對計算機科學的信心和態度的測量工具。
（二）計算思維測試平臺
計算思維測試平臺是可自動生成可視化評價結果或給出評價得分的計算機軟體系統。其中，研究者設計融合計算思維相關內容的任務，使用者完成平臺提出的任務，提交任務作品，系統自動給出評價結果。評價內容由開發者根據平臺任務自主選擇，不具有統一性。遺憾的是，目前已有的計算思維測試平臺並未進行可靠性和有效性驗證。
美國科羅拉多大學科赫等（Koh et al.，2010）開發了評價學生創作視頻遊戲程序時計算思維概念使用的可視化語義評價工具。這款工具被命名為「計算思維模式圖」，可以根據開發者上傳的遊戲任務，自動生成計算思維模式圖，可視化遊戲開發者用過的計算思維概念及頻率。巴薩瓦帕特納等（Basawapatna et al.，2011）通過設計的計算思維模式測驗，評價學生能否將視頻遊戲編程中獲得的計算思維模式遷移到新的科學環境。研究者在學生看完視頻後，要求學生回答測試問題，據此判定學生能否識別非遊戲編程環境中的計算思維模式。這裡的計算思維模式是光標控制、創建、吸收、衝突、傳輸、推、拉、擴散和爬山算法等，是研究者根據遊戲中常用的算法控制定義的內容。加利福尼亞大學沃納等（Wemer et al.，2012）開發了可在Alice平臺應用的「精靈評價」（Fairy Assessment）工具，試圖通過遊戲編程任務，測量學生對抽象、條件邏輯、算法思維和其它用於解決問題的計算思維概念的理解和使用情況。平臺共有三個任務，學生可根據執行效果修正程序方案，每個任務得分o〜1o分，由研究者對學生最終提交的遊戲任務的解決方案進行評分，以實現對計算思維能力的評價。
（三）計算思維測量量表
近期，經過有效性和可靠性驗證的計算思維測量量表的出現，是計算思維評價研究的新突破。計算思維測量量表作為通用測量工具，可以對特定研究群體計算思維能測量評價。
羅曼-同薩雷斯等（Román-Gonzúlez et al.，2017）提出了針對中小學生的包含28個題目的計算思維測量量表，測試內容為計算概念，部分涉及計算實踐。研究者邀請24所學校5-10年級的1251名學生使用該量表，對試題的可靠性和有效性進行驗證。結果表明，該測量工具在高年級和利用行動裝置進行測試時可靠性相對在低年級和計算機上完成測試的要高。為了驗證該測量工具的有效性，研究者將其與成熟的認知能力測試量表進行相關性分析，該測量工具與空間能力、推理能力及問題解決能力測試中度相關，表明它能夠表達計算思維實質上是問題解決能力，也說明該測量工具是有效的。科爾克馬茲等（Korkmaz et al.，2017）米用ISTE（2015）的觀點，認為計算思維是創造力、算法思維、批判性思維、問題解決、合作思維和溝通技能的共同體現，分別使用這五種思維已有的測量量表，經過兩次使用（首次應用在阿瑪西亞大學726名學生中，第二次應用在580名遠程教育的大學生中），最後確定了包含29個問題的五級裡克特量表，並通過探索性因素分析、驗證性因素分析、項目特殊性分析、內部一致性係數以及穩定性分析檢驗量表的有效性和可靠性。結果表明，該測量工具有效且可靠，可以測量學生的計算思維能力。
五、問題與反思
（一）計算思維教育內容邊界不清、層次不明
計算思維教育內容源於對計算思維定義的理解，2006年周以真首次正式提出計算思維定義時，認為計算思維是通過使用計算機科學的基礎概念解決問題、設計系統和理解人類行為等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。這個定義過於寬泛，對計算思維的內涵界定不夠明確，致使計算思維的教育內容各不相同。儘管周以真在2008年補充解讀了計算思維的本質，推出了針對K-12教育階段的操作性定義，但計算思維教育內容體系仍有待明確。現有研究中計算思維教育內容有計算的基礎知識和概念、程序的基礎知識、計算思維的核心概念和過程要素、抽象、偉大的計算原理等，表現出視角不同、內容各異、層次不一、交疊重複等特徵。當前人們採用最多的是鄧寧（Denning，2017）的定義，即認為計算思維是人們參與制定問題解決方案並將解決方案表示為可由信息處理代理有效執行的計算步驟和算法的思維過程。鄧寧主張的定義還存在很多問題，例如，作為思考過程，計算思維包括哪些過程？已有定義描述的思考過程包括：數字表徵、序列、選擇方法、抽象、分解、測試、調試以及再使用，而這些很難完整表達計算思維。此外，計算思維教育內容既涉及基礎知識、概念和能力，也包含高級概念和技能，那麼，哪些年齡和年級的學生可以接受抽象、自動化、分解等高級概念，以及如何漸進式地教授這些技能？
（二）學習結果評價重計算原理，輕思維技能
從現有研究成果看，研究者側重對計算思維基礎概念、計算機科學基礎知識和原理的學習結果考察，而對計算思維能力和情感目標關注不夠。究其原因，一，當下的計算思維教育活動並未走出計算機科學教育的範疇，致使計算思維教育活動偏重於計算原理知識的教學，忽視思維能力的提升；二，缺乏統一、有效、可靠的評價工具。計算思維教育評價雖然取得一些研究成果，但多數成果未經過有效性和可靠性驗證。當前計算思維教育內容多源自計算機科學的基礎概念和原理，內容靈活多樣，難以統一，再加之開展方式以基於編程的教學活動為主，因此，計算思維評價也是與編程工具的使用緊密相關，缺乏一般通用、脫離編程的計算思維評價工具。計算思維的評價是一項挑戰性工作。目前，非編程環境下有效且可靠的計算思維評價工具很少，更缺乏與具體學科教學知識相結合的計算思維評價工具。計算思維教育活動實施中，教育者需要考察計算思維活動是否按預期對學習者的學習結果產生了影響（Yadav et al.，2017）。這些影響不僅是計算基礎原理知識的掌握，更重要的是思維能力上的變化。
（三）課堂環境下的實證研究亟待加強
儘管計算思維已引發研究者的廣泛關注，但無論是在基礎教育還是高等教育，計算思維教育的實證研究都亟待加強。國外計算思維教育研究成果集中在基礎教育，高等教育研究成果相對較少，這與基礎教育操作性定義的提出不無關係，該定義為這一領域開展計算思維教育提供了參考內容和依據。但是，目前基礎教育的研究多為理論描述、方案設計和探索性嘗試，已有的實證研究對學生計算思維的培養偏重計算概念而忽視計算思維能力，且對計算思維能力的效果考察不夠明晰，有些研究還存在樣本小的不足，尤其缺少課堂環境下培養學生計算思維能力的實證研究。鄧寧（Denning，2009）主張計算思維是一項實踐，一種做事的方式，而不是一種原理，在實踐中可以培養學習者不同水平的能力。計算思維能力的培養，應該在解決問題的實踐中完成，計算思維教育應強調計算思維的應用，而其教育研究應重視加強實證研究。
（四）缺乏在人文學科領域中的研究
從計算思維的教育實踐看，基於編程的教育是主要的方式，且集中在科學（數學、物理、生物、計算機科學）課程中。然而，邦迪（Bundy，2007）認為計算思維幾乎影響所有學科的研究，既包括科學領域也包括人文領域，計算促使研究者尋找新的問題和接受新的答案。計算思維改變了人們的思考方式，計算概念提供了描述新假設和理論的新語言。多數研究關注的計算思維內容為計算和計算機科學的基礎知識和概念，並將其應用在編程中解決學科問題，這些應用並未走出計算機科學基礎知識和技術應用的界限，是一種狹義的計算思維定位，而人文學科中的應用，關注的不是技術工具和概念原理本身，而是概念原理所傳遞的思想和方法，是一種廣義的計算思維定位。
（五）急需提升教師的計算思維教學能力
計算思維是學生應掌握的一項分析和解決問題的能力，是21世紀的核心素養之一。在這一背景下，各國推出不同的課程標準和教育舉措。提升學生的計算思維，教師是關鍵。而現有的研究成果中，針對教師計算思維教學能力的研究匱乏。很少有側重於培訓在職教師將計算思維納入中小學課堂的教師教育項目，而重新設計教育技術和方法課程是發展職前教師計算思維能力的關鍵，教育和計算機科學學院應協同工作，利用在計算和教師發展方面的專長促進教師的計算思維教學能力（Yadav et al.，2017）。安吉利等（Angeli et al.，2016）描述了小學生計算思維教育課程的內容框架，並根據tpack模型框架簡略呈現了教授該課程的教師應具備的知識能力體系。亞達夫等（Yadav et al.，2014）在職前教師二、三年級的教育心理學課程融入計算思維，目的在於讓職前教師初步理解計算思維是什麼，以及感受計算思維在中小學課堂教學的可能性。研究者已意識到教師計算思維教學能力的重要性，並進行了初步探討，但還沒有針對教師的計算思維教學能力開展深入研究。
六、展望
未來，計算思維教育的以下方面有待加強：1）開展職前和在職教師計算思維培訓，包括教師教育應關注計算思維並整合進課堂教學（Yadav，Stephenson， & Hong，2017），以及重新設計教育技術和方法課程，幫助教師發展計算思維能力。學術界、政府、公司等也應推進合作開發課程，提高教師的計算思維學科教學能力，幫助他們學會將計算思維與學科教學進行整合。教育和計算機科學教師應利用計算和教師發展的知識互補進行合作。2）開發計算思維的測評工具。教師一般不熟悉計算思維，難以發現計算思維與課程之間的聯繫。設計和開發可靠而有效的計算思維評估工具是計算思維嵌入學科教學的關鍵（Grover & Pea，2013）。為判斷計算思維整合進課程的有效性，研究者應開發計算思維測評工具，幫助教育工作者評價學習者學到什麼，同時需要開發嚴密的基於具體的計算思維結構的工具，以用於所有教育領域（包括職業教育和教師教育）和具體學科的計算思維評價。3）開展計算思維教育研究。相比國外，我國計算思維教育研究亟待加強，包括促進中小學計算思維課程的開發，女生計算思維能力的發展，其他計算思維課程及其相關資源的開發等。以往研究多關注計算思維的定義和促進其發展的工具，極其需要應用學習科學如情境學習、分布式和具身認知理論等設計計算思維課程，從各類實證研究中獲取新知，以擴大計算思維對學生的影響。
總之，我們期望學生參加計算思維發展課程後能做得更好，但是如何對他們進行評估呢？這是學校大規模引進計算思維課程首先需要回答的問題。比如，發展兒童計算思維（如遞歸）是否存在障礙或困難？這些障礙或困難如何解決？對計算思維和計算科學的傾向、態度和刻板印象，以及它們如何與學習者發展相關聯？如何解決學生計算思維發展中的性別差異？這種差異在計算思維發展中有多重要?這些問題都是學生計算思維發展的理論和實踐需要清晰了解的。
基金項目：2016年廣東省高等教育教學改革一般項目「基於開放在線課程的混合教學模式研究：以《信息素養》為例」；2017廣東省高校特色創新教育科研類項目「『網際網路+』教育精準幫扶研究」。
作者簡介：劉敏娜，華南師範大學教育信息技術學院在讀博士生，研究方向：教育技術基本理論；張倩葦，博士，教授，博士生導師，華南師範大學教育信息技術學院，研究方向：教育技術基本理論。
轉載自：《開放教育研究》2018年第1期
排版、插圖來自公眾號：MOOC（微信號：openonline）
喜歡我們就多一次點讚多一次分享吧~
有緣的人終會相聚，慕客君想了想，要是不分享出來，怕我們會擦肩而過~
《預約、體驗——新維空間站》
《【會員招募】「新維空間站」1年100場活動等你來加入》
《有緣的人總會相聚——MOOC公號招募長期合作者》
了解在線教育，
握MOOC國際發展前把沿，請關注:
微信公號：openonline
公號暱稱：MOOC