K12 Computer Science Learning
Early-Childhood Learning
幼兒階段的計算機科學教育指南
本文摘選出《美國K12計算機科學框架》的指南中關於幼兒早教階段的內容，並翻譯成中文，簡單闡述美國對早期的計算機科學教育是如何定義，並且提出哪些教育要素、教學方法和案例。
來源：cMonster，翻譯內容，僅供參考，如需轉載，請標明出處，尊重知識成果。
為了增強美國在21世紀的世界勞動競爭力，美國政策制定者越來越重視科學，技術，工程和數學（STEM）的主題，以此來確保當代年輕人能有足夠的能力在全球化的經濟中競爭。目前，計算機科學最近成為全國關注的焦點，在各個地方，州和聯邦層面採取大規模舉措，旨在確保學生獲得計算知識技能，計算機科學被視為經濟機會和社會流動所必需的「新基本」技能(Smith,2016,para.1)。
目前，許多計算機科學的教育計劃都側重於K-12和高等教育環境。例如，馬裡蘭州已經建立了幼兒園（pre-K）計算機科學標準(馬裡蘭州教育部, 2015)，同時還有幾個學區，包括舊金山聯合學區(Twarek, 2015)和波士頓公立學校(2016),他們已經在pre-K年級開始開展計算機科學教育。
指南中明確指出——在早期兒童階段開展計算機科學教學是有必要的。並且幼兒階段提供計算機科學教育也已經被證明是縮短早期成就和發展差距的最佳手段之一，並且有助於更廣泛社區的經濟發展和社會福祉。
(Heckman,2006;Heckman＆Masterov,2007;Magnuson,Meyers,Ruhm&Waldfogel,2004)
一、指南中提到了哪些教育要素
我們可以看出指南中充分肯定了早教階段學習計算機科學的重要性和必要性，並且已經在多個州開展了Computer Science learning in early childhood那我們接下來一起來看看指南中提到了哪些教育要素。
#1高質量的學習：
在High/Scope Perry的幼兒園計劃(Schweinhart et al.，2011)和84項兒童早期教育幹預措施（Camilli,Vargas,Ryan，＆Barnett,2010）的研究中一致表明：高質量的早期學習經歷對兒童的學習和發展具有積極的短期和長期影響。雖然不同的教學環境中體現的「高質量的學習經歷」可能看起來不同，但是幾個共同的要素是基本確定的，它包括教師和學生之間的教學和情感支持互動；開發合適的課程資源和材料；具有個性化、結構化的系統學習活動以滿足學生的不同需求和探索和遊戲的機會（Pianta,Barnett,Burchinal,＆Thornberg,2011; Yoshikawa et al.，2013).
#2強有力的想法Powerful Ideas
指南中概述了一套特定於幼兒教育的「強有力的想法」。這些pre-K計算機科學概念和實踐為以後在小學階段學習計算機科學奠定了基礎知識和理解。它們以早期兒童教育環境中的計算機科學教育研究文獻為基礎，並以Papert（1980）建構主義框架為基礎，該框架強調兒童能夠在物理世界中主動構建知識，而計算技術就是兒童在物理世界中可以使用的工具，來建立和設計以發展知識。教師通過提供有條理的支持來幫助引導學生更深入的參與和更高層次的思想。建構主義為計算機科學教育的研究和實踐奠定了基礎，並與傳統的幼兒教育概念相結合，在實踐、互動和基於遊戲的學習環境中獲得計算機知識（Bers,Ponte,Juelich,Viera,＆Schenker,2002）。
如下圖所示，數學，識字和科學的核心內容領域中嵌入了四個強有力的想法，第五個社交和情感學習被理解為所有幼兒教育實踐的整體框架。此外，這些強大的想法都被早期學習環境的教學基石所包含：遊戲.
（具體分析請下滑）
#3遊戲教學法Play(小怪獸的觀點，非官方)
遊戲為孩子們提供了以有意義和有目的的方式來體驗學習的樂趣。這是孩子們培養技能和能力以及成為有效學習者的一種手段。遊戲能夠很好地激發出學生的學習興趣，充分調動其學習的積極性，讓學習變得更有意義，可以自發性地使學生主動學習，提供學習效率，增強其在課堂中的表現和自主管理能力。其次，遊戲有利於鞏固和擴展知識。在遊戲教學中，學生主動參與活動，主動與同伴一起體驗遊戲樂趣，學生在整個學習過程中構建語言知識、想像能力、社交能力等等。再次，遊戲可以增進學生之間和教師與學生之間的情感，加強彼此的信任，在遊戲教學的互動環節，學生也會積極主動地交流他們的想法和心得。
二、Papert(1980)提出的「強有力想法」
在指南中闡述了Papert(1980)提出的「強有力想法」，並以此為教學主要內容，認為在早教階段的學生需要習得這些想法，為後續的學習奠定基礎，我們一起來具體看看這些ideas是什麼。
Powerful Ideas具體分析：
1. 社交和情感
兒童通過與同齡人和成年人的有趣互動來培養社交和情感技能，研究不斷表明這些互動會對兒童的學習和發展產生重大影響。這些強大的情感、行為和認知能力為成功的學習和發展奠定了基礎。教師可以通過為學生提供分享，協作和互相支持的機會來培養包容性計算學習氛圍。在計算機科學中，最好的產品是由不同背景的成員組成的團隊創建的，他們傾聽並尊重彼此的想法。此外，計算機科學不僅僅是創造產品；它也涉及到有效溝通（口頭和視覺）和解決方案。這些原則可以通過遊戲促進兒童的社會和情感發展。
2. 模式和抽象化
模式是通過使用共同特徵（例如，顏色，形狀，大小）組織對象和信息來幫助我們理解世界。在計算機科學中，模式允許人們通過概括和應用多種情況的解決方案來降低複雜性。在早期學習中可以創造和運用抽象能力（例如，定義和調用過程），更有效地解決計算問題（例如，使用循環而不是重複命令）以及進行推理（例如，使用模型和模擬得出結論）。
創造和運用抽象的一個方面是對項目/對象/代碼進行分類，並基於這些分類來識別一般屬性（或「抽象」出更一般的模式來描述分類）。
3. 問題解決（迭代式策略）
幼兒在探索周圍世界並與之互動時，自然會在日常生活中參與解決問題的過程。教師可以通過提問來揭示孩子的推理和思考過程（例如，你是怎麼知道的？是什麼讓你這麼認為？）以及提供結構化的方法來幫助孩子解決問題，從而幫助解決問題「可見」。在計算機科學中經常使用的一種這樣的方法是迭代開發過程。這個過程涉及識別問題、設計和測試解決方案、評估結果、並修改和重做以找到最佳解決方案。
從某種意義上說，計算機科學是對問題，解決問題的過程以及這些過程產生的解決方案的研究。儘早參與解決問題的活動可以為識別和定義計算問題，參與測試和改進策略以及開發和評估現實問題的計算解決方案奠定基礎。
4. 表達（計算機如何表達）
任何具有印刷版本的語言都是語言如何被用來表達的一個例子。比如英語，它是由單詞或單詞組表示，表示聲音和含義。類似地，計算語言由數字，文本和符號表示。
理解早期的計算機語言可以為理解計算機如何表示信息和模擬系統行為奠定基礎，這兩者對於創造和運用抽象都很重要。另外，計算工件的創建涉及開發需要理解計算機如何表示數據的模擬和可視化，並且關於計算的有效通信涉及通過視覺表示（例如，故事板，圖表）呈現信息。
5. 序列
兒童經常通過早期識字和數學來學習序列。例如，兒童學習故事遵循一個序列（開始，中間，結束）。類似地，通過序數（第一，第二，第三）以及大小和幅度（從最小到最大）來探索測序。在計算機科學中，排序是算法的重要基礎，算法是計算機為完成特定任務而遵循的精確指令集。至關重要的是，人們按照正確的順序發出指令，因為計算機完全按照他們編程的方式行事；如果指令沒有正確排序，算法將無法達到預期的效果。
在早期學習排序可以為學習框架的五個核心概念之一奠定基礎，算法和編程，計算問題解決，抽象和工件創建中的關鍵思想。
三、五個「強有力想法」的案例
指南中講到如何教授五個「強有力想法」的案例。案例分為日常生活中的例子和計算機科學的例子，從生活過度到計算機的教學中，簡單易懂。
01社交和情緒學習
強烈的情感，行為和認知能力為成功的學習和發展奠定了基礎
日常的例子
學習與新玩伴一起玩是在早期學習環境中經常發生的，並且經常涉及需要教師提供腳手架/參與的談判過程。教師可以建立三個階段的流程來幫助推動這種類型的談判。一般的情況是這樣的，首先，小孩A選擇一個遊戲玩五分鐘。然後，小孩B選擇一個遊戲玩五分鐘。在AB需要一起玩一個遊戲的時候，AB兩個學生就需要練習如何找到他們都喜歡的遊戲，如果找不到的話，則需要某一方讓步或者妥協。三個階段：教師可以通過鼓勵小孩A在陳述他想要玩的遊戲的屬性而不是具體指出想玩的實際遊戲是什麼（例如，「搭建某物」而不是「玩積木」）。然後，小孩B則在這個基礎上提出他喜歡的遊戲是什麼。如果孩子們有更多的口頭和推理技巧，他們每個人都可以多描述他們想要玩的遊戲的幾個屬性，然後思考並解決哪一個遊戲可以滿足所有屬性。三個階段的結構允許每個孩子輪流擔任領導者，輪流成為尊重別人的傾聽者和追隨者，並且為他們提供了需要同時考慮多個意見的對話的一個溝通藍圖/框架。
計算機科學實例
通常，幼兒教學環境是不配備一對一計算設備，這種情況就默認兒童需要成對或小組工作。教師可以通過培養兒童的配對編程技能來適應這種教學環境。在最簡單的層面上，可以讓學生通過使用「我的回合」/「輪到你」的抽認卡來學習如何共享一臺設備，孩子們來回傳遞卡片來指定誰輪到使用計算機的順序。更進一步，教師可以提高關於計算機協作學習的機會（Dillenbourg，1999; Goodyear，Jones，＆Thompson，2014），孩子們在計算機上一起工作解決共同的任務或問題，而不僅僅是只是輪流地單獨使用機器。結對編程涉及一個人擔任「駕駛員」的角色，而另一個人是「導航員」。駕駛員是控制計算機操作並專注於細節的人，而導航員則幫助司機找到問題和潛在的問題。在pre-K的階段，教師可以幫助促進兩個孩子之間的配對編程，使用相同的「輪到你」/「輪到你」的抽認卡來指定駕駛員/導航員角色，以及鼓勵孩子參與協作和溝通技巧來培養同伴之間交流的腳手架。教師也可以通過參與兒童與教師的配對編程來提供更多支持和腳手架幫助兒童理解結對編程。
02模式和抽象化
模式通過共同特徵來歸類信息，幫助我們更好地理解世界。
日常的例子
兒童學習通過日常的案例來識別模式，這些案例是他們的實際生活的世界中會注意和命名事物特徵的例子。例如，兒童可以在教室或發現教室中不同的顏色，他們就會對這些顏色進行命名，或者是發現並命名Legos的不同模塊。隨著時間的推移，他們可以開始識別重複的特徵，然後創建圖像或移動對象以顯示重複的特徵。例如，兒童可以按照綠色，紅色，綠色，紅色，綠色等順序放置彩色物體。
隨著額外的顏色或特徵被考慮 -黃色，綠色，紅色，黃色，綠色，紅色，這些圖案可以變得更加精細。此外，音樂的旋律也是模式識別的一個很好的例子，因為它呈現重複的聲音和運動模式。兒童可以通過舞蹈表現出運動模式，重複身體運動。
將這一步驟進一步擴展到兒童早期學習的抽象技能上，可以給予學生特定類別（例如，狗或貓）並基於該分類識別他們所知道的內容（即，屬性）。例如，對於類別「貓」，兒童將知道的一些屬性是近似大小（明顯小於馬），顏色（不是紫色，綠色或藍色），眼睛（兩個）和腿（四個） ），以及尾巴的存在。孩子們也知道一隻貓喜歡突襲，它會喵喵叫，但貓不會吠叫，也不會飛。
計算機科學實例
在數字世界中，計算機使用模式來組織信息。教師可以展示世界各地的重複模式。例如，雜貨店中無處不在的條形碼圖案旨在將關於物品的信息提供給收銀機。條形碼使用重複的特徵（細線，粗線和空格）來指示計算設備。掃描儀的「嘟嘟，嘟嘟，嘟嘟」也是雜貨店的一種模式，因為它是一個重複的功能。模式也可以是組別，例如，我們可以對條形碼 - 嗶嗶聲，條形碼 - 嗶嗶聲，條形碼 -嗶嗶聲進行分組。
教師可以使用模塊化的實物編程環境來呈現指令的模式並指導學生識別模式。許多模塊化的程式語言會用不同的顏色來劃分不同類型的模塊。教師可以演示如何使用一系列命令繪製簡單的形狀（如方形或三角形），並要求學生通過觀察指令中不同的顏色的模塊來找到模式。這項活動可以作為模式識別的第一節課來幫助學生獨立創建自己的項目。
03解決問題
兒童通過解決問題來建構知識
日常的例子
當孩子們用積木建造時，他們會經常解決一些問題，例如，在為玩具車穿過障礙橋時，孩子可以移動兩邊的積木柱並在頂部添加一個積木塊。如果頂部的積木塊不夠長，不能扣住兩邊的積木柱，那麼孩子可能會把兩邊的積木柱移近一些，並嘗試再次扣住頂部的積木塊。這些解決問題的思考過程和行為都是可以被可視化的，只需要教師讓孩子解釋他們的行為，並展示他們是如何修改和重做。老師可以談論學生在解決這類問題時的思維過程，發表評論，例如「哇，我注意到你發現這座橋不起作用。您是怎麼知道接下來要做什麼來解決您的問題的？」
此外，教師可以在教室裡建立一個「發明家工作室」，讓孩子參與迭代開發過程，在教室中兒童使用解決問題的技能，並藉助教師提供的腳手架和技術資源來創造新的東西。
例如，如果一個孩子想要做一個襪子木偶，他可能首先在紙上畫出他的襪子木偶的圖像，並記下他需要做的所有材料。然後，在老師的幫助下，他可以在線查看襪子木偶的圖像，並搜索如何製作襪子的說明。然後，孩子可以在嘗試構建實際的襪子木偶之前，根據他和他的老師在線找到的資料，比較和修改他的原始繪圖和材料列表。在整個施工過程中，教師還可以使用技術（拍攝整個製作過程）來幫助記錄解決問題的設計過程，以便孩子可以回顧並反思創造他的襪子木偶的步驟。
教師也可以明確地提出問題並要求兒童提供創造性的解決方案。例如，教師提供一個情景：一隻鼠想跳到床上，但附近的鞋盒太矮，無法幫助小老鼠到達目的地。小老鼠應該如何解決這個問題呢？還有什麼東西可以用小老鼠到爬到床上呢？在這個例子中，教師可以徵求許多不同的想法，並強調解決這個問題沒有一個正確的答案，但有些解決方案可能比其他解決方案更有效和更有效。
計算機科學實例
當開發人員創建新技術時，他們經常使用迭代設計，包括創建技術的早期版本，測試它，評估結果，進行修訂，然後再次測試。 在課堂上，有時機器設備突然故障了，教師也可以讓孩子參與類似的迭代問題解決過程，找出原因。他們可能會檢查設備是否已打開，是否已斷電或是否已斷電。這些不同的檢查對於弄清楚為什麼設備出現故障以及如何讓它再次工作非常重要。
04表達
人們可以使用符號表示概念
日常的例子
孩子們畫出他們的家庭照片，這些照片通常看起來像「土豆人」 ，頭部和身體的圓圈以及伸展成手臂和腿部的線條。有時這些「土豆人」的表現形式的背後其實有更深刻的含義和故事。教師可以通過讓孩子分享他的圖片的含義並用印刷文字書寫來描述他們的作品來理解他們所畫的圖。
或者，教師可以通過示範如何通過一些圖片或者符號來表達自己的想法。例如，教師可以用諸如向前移動的箭頭，轉身的螺旋等圖標來表示方向。這些圖標還可以被用來玩「紅燈，綠燈」的遊戲，其中兒童根據看到的圖標來做相對應的動作。
同樣，教師可以通過比較不同的文化數字系統來探索兒童的表現形式。通過手指來數數在不同國家文化中都存在，但是表達形式卻又不同。在美國的文化中，每個手指代表一個值，兒童通過來數兩隻手的手指數量來確定一到十。但是，在中國的文化中，可以只用一個手掌來表示一到十的數字。教師可以教孩子們中國的數數系統，然後討論兩者之間的差異。美國系統僅依賴於手指的數量，但中國系統還使用了哪些手指，手指握持（捲曲）的方式以及角度（向下與向上）。
計算機科學實例
在數字世界中，計算機科學家使用獨有的表達來與計算機「通信」。孩子可能會在智慧型手機上看到許多app的圖標，其中每個圖標代表不同的應用。其他「按鈕」在計算世界中是可見的。例如，汽車中的開/關的開關和數字儀錶板都是計算世界中信息表達的示例。教師可以讓孩子們在課堂上探索計算設備上的不同類型的表達。
此外，計算機使用一些表達來更有效地運作。例如，計算機表示具有數值的顏色。兒童可以使用顏色的RGB（紅色，綠色，藍色）數值，在計算設備上進行簡單的文字處理，繪圖或照片編輯應用程式。教師可以通過指出計算機如何用RGB數值的數字表達顏色以及如何通過更改數值來改變屏幕上顯示的顏色
05序列
序列是按特定順序排列事件，想法和事物的過程
日常的例子
孩子們喜歡講故事;他們談論周末發生的事情，家庭活動以及課堂上發生的各種事件。這些故事中的每一個都可以分解為一系列活動。教師可以提出有針對性的問題，幫助孩子們擴展這些想例如，一位老師可能會問，「最後發生了什麼？」「先發生了什麼？」和「中間發生了什麼？」
幫助兒童建立序列的概念的另一種方法是讓教師要求孩子們為日常任務安排順序，比如穿衣服。教師讓學生將他們今天要做的活動定順序，要做的第一件事情是什麼，第二件是什麼，第三件是什麼等等。他們還可以讓孩子一些帶有序列的圖片，以顯示序列的重要性，以及序列的改變會產生很大的不同（例如，穿鞋後穿襪子，穿衣後洗澡），讓他們更加明白序列的重要性。或者，教師可以讓學生參與故事排序活動，孩子們必須按照正確的順序放置一系列圖片，以便故事有意義。
計算機科學實例
可以在使用數字工具的場景中解釋序列。例如，教師可以解釋在雜貨店通過掃描食品的條形碼來得知食品的價格。順序是（1）掃描食品項目和（2）收銀機指示價格。從掃描項目到顯示出價格，這一個過程是的數字信息的輸入/輸出，這個活動可以讓兒童通過假裝遊戲來體驗，什麼是輸入和輸出，以及序列的順序是什麼。
學生也可以使用簡單的模塊化的實物編程來創建由序列組成的簡單算法和程序。這些實物編程可以讓學生非常簡單地創建程序，而不像傳統基於文本的編程一樣會出現的閱讀障礙。這些實物編程可以幫助兒童更低門檻的接觸編程。這些可視化/實物化模塊的指令表達是遵循計算機運行的特點（例如，動畫）（Strawhacker＆Bers，2014）。 還有為pre-K學生創建的機器人學習環境，它們使用實物化的木塊來創建一組命令，機器人可以讀取這些命令來移動，發出聲音和閃光燈（Elkin，Sullivan，＆Bers，2014）。
結束
看完這些案例，你們對早教階段的兒童學習什麼樣的計算機科學知識以及如何去教，有一些想法了嗎？ 這些內容或許可以 幫助各位有興趣的老師、家長在開展幼兒早期的計算機教學啟蒙。
（聲明：除STEAM在線原創文章外，STEAM在線分享和轉載的文章皆為促進STEAM教育在中國的傳播，非商業用途，都會註明來源，如文章、照片的原作者有異議，請聯繫我們快速處理或刪除，謝謝支持。）