除了編程,中小學領域計算機科學教育應該學什麼?

創客教育、STEM 教育、 STEAM 教育、編程教育、計算機科學教育，這些名詞在國內習慣用法似乎彼此混淆，本文就是來探討澄清這些主題的差異、與你應關心的重點在哪裡。 

前陣子國內有人寫道美國約在 2011 之後才有 STEM 教育，怎麼可能?!! 應該是用詞不精確。所謂 STEM 是 Science-Technology-Engineering-Mathematic. 的簡稱，而 STEAM 增加的 A 是 Arts，增加 Arts 的確是比較新的思維，但這個成分目前不具主導性，以 STEM 正確定義來說，STEM 教育絕不是新的東西，從五十年代國際太空競賽就驅動美國拚理工教育，所以新的重點在哪裡?

2011 年之後的 STEM 教育新內涵

2011 之後由美國帶頭的新主張大致有兩塊，一是所謂的創客教育 (Maker Education) 說法興起，目的是為了銷售適用於學校的低階 3D 印表機 (這樣說並未否定印表機的教育價值)。3D 印表機搭配像 Raspberry Pi 、Arduino 這樣的低價硬體，以及，開放授權、群眾募資的新典範，降低了創新創業的門檻，鼓勵了更多人動手創造原型 (Prototype)，形成創新的正向循環，也連帶影響教育現場。創客教育只是 STEM 教育中的一個新興子領域，但不能代表整個 STEM 教育，而且目前在國內的創客教育僅適用於養成極客 (Geek)。

另一新主張是人人都該學習編程 (Programming，Coding) 的說法，甚至美國總統與知名女星都為此說法發聲，這幾年下來讓學習編程快變成陳腔濫調了，事實上，此主張倒有其根據，根據美國勞工統計局預估，2020 年美國將約有 140 萬個計算機科學 (Computer Science，CS) 領域的職缺，但是只有約 40 萬個計算機科學本科畢業生，而 STEM 領域的新職缺有三分之二是計算機科學相關領域 (含資料科學)，卻只有 7.5% 的 STEM 本科畢業生主修計算機科學，軟體開發人員的供需缺口令人憂心。而過去十幾年美國在軟體上的創新領先全球，前瞻的業界人士相當重視此問題，所以大聲疾呼起來，白宮也採取了相關呼籲與行動 (參考資訊)。

來自 Code.org

簡言之，STEM 教育的新需求缺口主要在計算機科學領域人才，記得 Marc Andreessen 名言Software is eating the world 這句話? 這是資訊時代趨勢使然，從網頁、App、資料科學到雲端、大數據、物聯網、人工智慧，程序無所不在，這不僅是美國的現象而已，然而全球大多數學校的信息教育課卻還停留在教導學生如何使用 Word 文件或 PowerPoint 簡報。其實編程教育運動在許多國家都存在，從 Skype 發源地國家愛沙尼亞開始，到英國、美國，越來越多國家政府將計算機科學教育放入學校課程。編程教育顧名思義是學習計算機程式語言，因為編程教育運動多由軟體工程專業人員開始推動 (例如: 當義工在課後時間教小孩)，所以多以學習編程開始，或搭配簡單硬體實作創客教育，但是計算機科學教育的意義比較廣，接下來談談政府從教育的全面高度如何考量。

美國政府對計算機科學教育的定位

美國在國家層級的行動是以國家科學委員會 (National Science Foundation, NSF) 為首，從 2009 年開始，逐步建立在中小學實施計算機科學教育的基礎，最主要是贊助課程的開發與對教師的培訓，前者支持了兩門課程的開發 -- AP Computer Science Principles (AP CSP) 與 Exploring Computer Science (ECS)，後者推動了像 CS 10K Project，要培訓一萬名能夠上崗教授計算機科學的教師。白宮並與 The College Board、Code.org 等組織合作，在 2013 年提出 Computer Science is for everyone!，在 2016 年新提出 Computer Science for All 的倡議，並規劃了 41 億美金的經費支持。

在各州自治的層級，各州都有來自公部門與民間的行動，例如: 2015 年九月，紐約市長 Bill de Blasio 宣布，將砸 8,100 萬美金，務求計算機科學教育須在十年之內普及到全市所有公立學校；芝加哥則決定在 2018 年以前，將修習至少一年的計算機科學課列為高中畢業門檻。作為全世界科技產業最蓬勃旺盛的地方，舊金山將從幼稚園到中學提供編程教育，並強制八年級學生必修。

所謂編程教育只是學習程式語言而已，是見樹不見林的高度，但是美國白宮對計算機科學教育的目標是要見樹又見林，在見林的高度涵蓋這領域之基礎通識 (Fundamental Concepts) 與完整概念 (Big Ideas)，在見樹的層面要學習掌握編程的基本邏輯。這樣的教育不僅是為培養編程工程師而設置，其目的是為全部學生建立資訊時代的必要信息素養 (Literacy)，了解計算機科學對人類生活與社會產生的影響，以及未來的可能潛力，引起更多的學生對進入計算機科學領域的專業產生興趣，包括提升女性與弱勢族群參與比例。根據研究，在高等教育之前曾經接受過計算機科學教育的學生在將來進入該領域的比例增加為八倍。(College Board 研究報告)

即使對非主修計算機科學的學生，也要破除計算機運作的神秘感，在需要之時知道如何駕馭它來解決問題。隨著人工智慧、機器人等最新技術的大規模運用，全球進入到了「智能時代」，各國產業結構都面臨著深度調整的壓力，科技影響深入社會與生活諸多層面，不只創新型人才的培養至關重要，更需要普及全民的計算機科學教育，以建立在資訊時代生存必要的能力素養。

白宮與相關組織認為每個 21 世紀的學生都應該要學習演算法、網路如何運作、如何建立應用程式、如何分析大數據、以及計算機如何影響社會。就像他們學習消化系統、光合作用或電力從何而來，並不是要成為科學家的學生才學，而是一種基礎教育。計算機科學教育也是必要的基礎教育，不是職業教育。教育系統的腳步常常跟不上科技推動時代進步的腳步，但是對家長與教師的訪調結果也顯示，一般認為現在這種計算機科學素養的重要僅次於讀與寫的素養。(Google 調查報告) 

對計算機科學的定義，最廣泛接受的定義來自 Tucker 教授等人: "計算機科學是研究計算機與演算法，包括其原理、硬體、軟體設計、應用程式、以及其對社會的影響"。

「Computer science is the study of computers and algorithmic processes, including their principles, their hardware and software designs, their applications, and their impact on society.」 (Tucker, 2004 ACM/CSTA Model Curriculum for K–12 Computer Science.)

計算機教育應該學什麼？

所以，計算機科學教育到底該學甚麼呢?以我們白話說 : 教育目標是能駕馭計算機科技，更專業的說法 -- 運算思維 (Computational Thinking) -- 是何種能力? 2010 年 Jan Cuny 與 Larry Snyder 提出: "運算思維是能將問題與解決過程轉成計算機語言與程序邏輯，以利用計算機軟硬體來達成任務"。 

"Computational Thinking is the thought processes involved in formulating problems and their solutions so that the solutions are represented in a form that can be effectively carried out by an information-processing agent." 

由 Association for Computing Machinery(ACM)、Code.org、Computer Science Teachers Association (CSTA) 等民間組織與州教育局代表、大型學區代表 (學校教師)、以及大學學者共同合作訂定了 K–12 Computer Science Framework。這些學者來自包括了麻省理工學院、芝加哥大學、伊利諾大學、加州大學、哈佛大學、德州大學、杜克大學、喬治亞理工學院、賓州大學、康乃爾大學等等，並獲得來自領導企業的支持，包括 Apple、Google、Mocrosoft、Amazon、Accenture 等等。該學習框架標準是作為課程設計與教師培訓的根據，從幼稚園到高中畢業，定義具有計算機素養 (Literacy) 的學生在每個階段應有的行為表現、思考方式與發展進程。

簡要來說，在計算機素養中，編程能力與演算法只是其中一小部分，學生還應該了解網際網絡運作原理與安全性問題、計算機軟硬體系統運作原理、資料科學 (數據收集/儲存/分析/建模/呈現)、與計算機對社會之影響 (人際溝通/隱私/道德/法律/工作)。而成功應用計算機科學解決問題不僅需要知識，還需技能，這包括創建能力、溝通能力、合作能力、抽象推理能力等等，對軟性技能的強調要求是整合在該學習框架中的。同時該框架也對照了計算機教育與數學、科學、工程、語文教育的交集之處。 

來自 K12CS.org 

一般常看到的創客教育或 STEM 教育經常從有形的工具出發來設計，而容易流於片段狹隘技術的訓練，不是全面素養的養成 (參考文章)。例如: 3D 印表機是 3D 建模的實踐，一般中小學校買得起的低階 3D 印表機水平，很難做高階的創意發揮 (列印速度也是瓶頸)，重點不是印表機本身，而是藉由它可以帶入以上提到的相關素養養成。另外，很多創客教育牽涉硬體的動手實驗，需要有電子學的基礎知識才能活用發揮 (例如電阻、電容、二極體運作原理)，孩子未具備基礎知識只是按表操課，不知其所以然，不可能進行邏輯推理，遇到問題也無法做解決 (Trouble-Shooting)，活動完了到底學到甚麼? 

這裡並不是說不要創客教育，而是要根據適切的學習框架為中心來設計，而非以特定程式語言或硬體為中心來設計，把經費花在高昂的硬體上，不如花在好的師資與課程設計上，沒有 3D 印表機不會阻礙學習計算機科學，但沒有好的課程與師資卻萬萬不能。引用此文章 (創客教育：補了短板才能跑): "創客教育「初出茅廬」不成系統，其問題集中表現為四點：

學習過程比結果表象重要，如何學比學甚麼更重要，無人機或機器人都是手段而已。評估課程優劣，先問學習活動設計、目標、師資、以及如何評量學習成果。

作為大學先修課的計算機課程

如前述，美國國家科學基金會採取行動之一就是推動兩個新課程。The College Board 主辦大學先修課程 (AP)，全美國高中都開設其 AP 課程，它在多年準備後於去年推出了新課程 AP Computer Science Principles (AP CSP)，美國數百所大學承認該學分，所以影響相當直接。 

其課程框架訂出了七大學習主軸: 創造力、抽象化、資料科學、演算法、編程、網際網路、科技的影響。從而向下發展出:

• 23 個 核心概念 (Enduring Understandings)

• 42 個 學習目標 (Learning Objectives)

• > 100 個 基本知識項目 (Essential Knowledge Items)

由美國國家科學基金會贊助，Trinity College、College of St. Scholastica、Computer Science Teachers Association (CSTA) 與麻省理工學院 (MIT) 密切合作共同開發的 AP CSP 課程，已經在全美約 40 州的幾百所高中實施，其內容具有應用程式教學 (編程) 和計算機科學原理課程 (非編程)。前者教授如何逐步構建應用程式，跟隨在後的是創意專題，這些專題提供了挑戰性問題，鼓勵學生自己嘗試；非編程內容則涵蓋了前述計算機科學學習框架。其課程設計重點如下:

• 從 MOOC 翻轉學習 + 課堂上分組討論；

• 要求學生建立學習履歷，收集包括探索 (Explore) 與創建 (Create) 的產出；

• 高度鍛鍊寫作表達能力，須對探索主題做論述；

• 項目式學習 (PBL)，學生必須以編程知識創建對社區有用的移動應用 (Mobile App)，體現其創造力、問題解決設計思維、團隊合作與溝通、專案管理能力等軟實力；

• 此課程基於 MIT App Inventor 讓那些非計算機科學專業的學生也能創造出自己的應用軟體作品，把學生從消費者轉變為創造者。

  這裡的主要主張是項目式學習，建立對社區有用的移動應用，學生可能可以建立甚麼應用呢?

• Trinity College 學生創建一個可以使用手機量測樹木或建築物高度的應用；

• Trinity College 學生為海地居民創建追蹤大宗商品價格的應用；

• 阿拉巴馬高中學生創建了追蹤研究野山豬行為的應用；

• MIT 學生為發展中國家的糖尿病患建立用手機量測血糖的應用；

• Winchester 高中創建了各種應用，包括解決學校停車問題、紓解壓力、時間管理、幫助學習記憶、小遊戲。(新聞)

• 其他高中生創作: 讓民眾舉報可疑犯罪行為的應用、自動計算食物卡洛裡與熱量管理、幫助校車找出最短路徑、協助高中生計畫與管理申請大學之過程......等等，這裡列舉不完。 

讀者是否發現了，這裡需要的問題解決能力，不僅僅是編程邏輯，還需要先有問問題的能力，研究真實世界裡相關運作、變數與使用者行為才能設計出成功的解決方案。過程需要許多溝通、團隊協作、試錯修正、跨領域知識與資訊、甚至如何行銷推廣才能達到項目目標，加上創意!! 這種學習並不局限適用於關在實驗室裡的極客 (Geek)，且要求更高階的能力。

來自 MIT 的 App Inventor 是個進可攻退可守的強大開源工具，可視化編程 (Block) 創作介面類似 Scratch (同樣來自 MIT)，可讓非編程人員建立應用 (甚至已有商業服務)，也可成為進入文本編程的跳板，本身又有開源社區支持。許多人以為學習文本編程比可視化編程好，其實不然，首先，要選擇哪個語言就是個問題，再者，初學者容易陷於細微枝節而迷失掌握程序結構、與了解整個應用系統的運作，例如: 如何銜接移動裝置上的感測器與硬體、資料如何存取、如何利用程序接口(Application Programming Interface, API) 與其他功能服務整合。

學習計算機科學是為了改變世界

If you learn about computer science, you have the ability to change the world. — Art Lopez, AP Computer Science Principles Teacher 

這就是美國教師的態度。

在美國人印象裡，STEM 原本就是中國人的強項，事實統計數字也是如此，無論是在職場上的工程師大軍、或是考試成績表現、或以全球取得 STEM 學位的人數或者人口佔比來看，中國明顯領先美國。但是，就像馬雲說的，多數中國人就僅是非常會解題 (這是亞洲人一般現象)，但想從"中國製造"進步成"中國創造"，想讓計算機對社會產生更有價值的影響，需要的不只是會解題的技術而已。 

即使美國人不如中國人會考試，卻充滿自信心與改變世界 (Make a Difference) 的企圖心與軟實力，從小積極參與社區服務養成關心社區的公民素養，社會高度強調創造力與多元開放性思考。這或許就是美國充滿創新創意、保有競爭力的原因。所謂素養教育涵蓋從高到低的三個層次分別是 A (Attitude，態度)、S (Skill，技能)、K (Knowledge，知識)。在這個時代知識上網搜尋就有，甚至人工智慧都能編程了，編程技術本身不是最重要，其實美國人認為編程人員是未來的新藍領階級而已。教育真正的目的是在學習過程中培養態度 (學科興趣、企圖心、堅持、關懷社會) 與技能 (溝通、表達、合作、創造力、解決問題、自學能力)，而要達到此目標，師資才是關鍵中的關鍵。

是應試教育還是素養教育？

計算機科學教育的成功要素為何? 如果沒有對學習本質審慎思考，熱門的編程或創客教育最後將成為另一個奧數 -- 只是狹隘技術的訓練與應試教育而已。在今年年初印發的《國家教育事業發展「十三五」規劃》中提出，要改革創新驅動教育發展，推動合作探究式學習，倡導任務驅動學習，提高學生分析解決問題的能力。推進中學生科技創新後備人才培養計劃與全國青少年高校科學營等活動，積極試點探索大學先修課程。政策的確訂出了標竿，或許這是一個新的改變契機。

正確的計算機科學教育是準備好學生面對未來的現代素養教育，而編程教育或創客教育都只是完整圖像的部分實踐，傳遞知識內容是最低階的學習，師資品質、學習活動設計、社區實踐、評量方式將決定一個課程是應試教育還是素養教育。

本文來自投稿，作者Jessie Chuang (WeChat: JessieChuang87)，美國教育科技顧問公司 Classroom Aid Inc. 的聯合創辦人，xAPI 中文實踐社群 的主持人，Visca Analytics 的指導顧問。她曾為教育科技業者提供以下主題之顧問: 教育科技市場分析與產品設計、教育產業策略合作建議、自適應學習系統與人工智慧家教、OER、行動學習設計、學習標準、數據可視化、xAPI 導入規劃、學習分析、數據驅動的學習設計。職涯歷經高科技業、企管顧問業、教育業，擅長連結不同領域的概念作突破思考。擁有 20 多項美中臺專利。  

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