英国K-12阶段计算思维教育分析与启示

　　摘　要：计算思维作为学习者应对未来社会科技快速变革的必备能力，受到各国教育界的高度重视，并纷纷将其纳入国家课程标准，加大了相关教育投入力度。英国作为教育信息化较为发达的国家之一，较早关注到儿童计算思维的培养，并在计算思维教育方面取得不少实践与研究成果。文章梳理了英国在K-12阶段计算思维教育的政策与投入，介绍了英国的计算思维教育评价方式，并从课程标准、教材与跨学科教学等方面分析计算思维的教育实践。在此基础上，我国对K-12阶段的计算思维教育应积极整合校内外资源搭建计算思维教育平台，完善信息科技课程评价，重视教师培训，并在多学科中培养学生的计算思维。

　　关键词：计算思维；K-12教育；信息科技；英国；教学实践；评价方式

　　中图分类号：G51

　　文献标志码：A

　　作者简介：李冰，深圳大学教育学部讲师(深圳，518060);蔡雨蝶(通讯作者)，深圳大学教育学部硕士研究生(深圳，518060);黄静蕾，深圳大学教育学部硕士研究生(深圳，518060)

　　基金项目：深圳市教育科学2020年度规划课题“基于计算思维和深度学习的小学人工智能课程设计与实践研究”(编号：ybzz20006)

　　计算思维是当前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。计算思维的概念最初由周以真教授提出，是指运用计算机科学的基础概念求解问题、设计系统和理解人类行为，包括一系列反映计算机科学领域广度的思维工具。计算思维不仅仅是属于计算机科学家的思维方式，也是每个人的基本技能^[1]。在计算思维提出后，世界各国开始对计算思维教育展开研究，计算思维也与实证思维和逻辑思维共同组成了三大科学思维^[2]。美国国家科学基金会指出，计算思维必须像“阅读、写作、算术”一样普及，成为每个合格公民的必备素质^[3]。近年来，美国、芬兰、新加坡等国也从国家政策层面开始推动面向青少年的计算思维培养计划。英国作为教育信息化起步最早的国家之一，为了保持其在全球数字经济的竞争优势，推出了一系列培养学生计算思维的政策和项目，其理论成果和实践经验对我国K-12阶段进一步推进学生计算思维培养具有一定的借鉴意义。

　　一、英国计算思维教育的政策与投入

　　英国较早从国家层面启动了针对K-12阶段的计算思维教育政策和研究项目，并对计算思维教育持续投入大量资金(见图1)。

图1   英国计算思维教育政策与投入时间轴

　　2013年，英国教育部颁布新的国家课程，将原有的中小学信息通信技术课(Information Communication Technology，ICT)改名为计算课程(Computing)，将计算思维作为新课程的核心目标，提出了K-12阶段计算课程的四个关键阶段的培养目标：掌握基本知识;进行简单操作;理解理论原理;解决实际问题^[4]。2014年英国正式实施计算课程，成为世界上第一个将编程作为中小学义务教育内容的国家。

　　2015年，英国教育部对普通中等教育证书(General Certificate of Secondary Education，GCSE)中的ICT课程进行了重新规划，特别强调学生计算思维的发展，要求学生理解和应用包括抽象、分解、逻辑、算法和数据表达在内的计算机科学的基本概念和原理，逐步提高学生利用计算思维分析及解决问题的能力，使学生能够对问题进行系统分析、设计合理的解决方案，并通过编程加以实现。同时还在课程中强调培养与计算机科学相关的数学技能，体现计算机科学(Computer Science，CS)课程的跨学科培养理念^[5]。

　　2016年，英国广播公司(British Broadcasting Corporation，BBC)Make It Digital节目针对2013年的英国计算课程改革，联合微软、三星等多家全球顶级科技公司和机构共同打造了基于ARM架构的单片机——Micro: bit，并为其在BBC线上线下配套了大量的项目教程资源和活动，为每一位七年级的在校学生提供免费Micro: bit开发板用于编程学习，以激励学生发展计算兴趣和数字创造力，从而提高计算思维^[6]。

　　2018年，英国政府投资8400万英镑支持英国计算学会与剑桥大学合作组成第一个专家领导的国家计算教育中心以改善计算教学，同时谷歌也提供了100万英镑支持该教育中心。由英国专家领导的国家计算教育中心与英国各地的学校开展合作，为中小学提供计算课程资源，并为其计算课程教师提供强化培训方案，以改善并提高中等教育计算机科学的参与度^[7]。

　　英国不仅注重学生计算思维培养，同时还注重相关教师的招聘、保留和发展。英国皇家学会(The Royal Society)于2019年八月发布了《计算教育快照：计算机教师政策简报》(Computing Education Snapshot: Policy Briefing on Teachers of Computing)。该简报概述了学校当前计算课程教师的供需和发展情况，并给出了一系列行动建议。例如，在招聘计算课程教师时要确保其ICT资格，而不是随意让其他科目的教师教授计算课程;在发展教师方面，为他们提供国家计算教育中心(National Centre for Computing Education，NCCE)提供的高质量计算教学培训;在保留计算课程教师劳动力方面，该政策提出要减少对教师基于测试的问责措施的关注，同时提高对他们的补助，确保新教师能够获得每月3000英镑的免税工资^[8]。

　　综上所述，英国不但较早发布了针对K-12阶段的计算思维教育政策，同时还辅以较多项目支持和资金投入。另外，英国政府还与各高校、科技公司合作改善计算教学，整合资源搭建平台，充分发挥各自优势，培养学生的计算思维。

　　二、英国计算思维评价方式

　　英国对计算思维的测评工具研究较少，研究者多直接采用国外学者的测评工具，或在国外学者的研究基础上进行修订，使其适应英国的实际情况，以满足英国进一步研究的需求。比较有代表性性的是评价方式为多途径过程评估以及可视化学习分析。

　　(一)多途径过程评估

　　英国伦敦大学学院的学者亚塞明·奥索普(Yasemin Allsop)为伦敦某小学六年级的学生设计了一个使用Scratch和Alice 2.4应用程序的游戏制作项目，为期8个月。该项目构建了包含“计算概念”“元认知实践”和“学习行为”在内的计算思维多途径评估模型。对于计算概念的评估主要依靠研究学生在编程环境中完成任务(如序列、循环、条件和变量)的编程构造。对“元认知实践”的评估主要依靠对学生言语表达的记录以及对学生的半结构化访谈，同时辅以对学生“问题解决表”的记录分析，这些“对话”能够展现学生的“深层自我”，让学生自由表达对问题的理解情况，有效弥补其他测评方式的不足。在“学习行为”的评估中，奥索普着重记录学生的协作、毅力、交流、调试、创造力和问题解决行为。这种用多途径对计算思维进行评估的方式不仅能够提供有关学生对计算概念理解的深层信息，还能够收集学生个人技能发展的过程证据，从而对他们的计算思维进行多层次、全过程的深入分析^[9]。

　　(二)可视化学习分析

　　伊娃-苏菲·卡特费尔特(Eva-Sophie Katterfeldt)等人开发了具有实时反馈、即插即用和清晰的可视化编程功能语言特点的Talkoo套件，用于学生的“物理+计算”跨学科学习。此项目受到欧洲跨学科合作项目(Practice-based Experiential Learning Analytics Research and Support)的支持，为学生配备了带有显示器的白板和圆桌，并集成了学习分析支持(Learning Analytics Support，LAS)，能够通过跟踪学生的手势、表情、眼球等来收集学习者的活动数据，用于各种学习分析。具体来说，通过学习者佩戴的腕部位置感应器，获取学习者是否正在操作、操作何种软硬件对象、操作频率等数据，再配以时间序列将操作过程划分为计划、记录、反思三个阶段;同时，使用摄像头获取学生查看显示器的次数和面部表情，进而为学习者和教师实时呈现整体可视化界面。调查结果显示，该工具包对学生的学习动机和计算思维能力有积极的推动作用，但学习分析数据也表明该工具包对学习者的协作支持具有负面影响。将基于大数据的学习分析用于计算思维评价，能够获得全方位、全程化的学习证据，深入分析和发掘隐藏的学习需求，为计算思维评价提供客观的数据来源^[10]。

　　三、英国计算思维的教育实践

　　(一)从课程标准看计算思维培养

　　在英国2014年出版的国家课程标准(National Curriculum in England: Framework for Key Stages 1 to 4)中，把计算教育放在与核心科目同等重要的地位并贯穿于四个教育阶段。在Computing章节中强调其学习目的是“使学生能够利用计算思维和创造力来理解和改变世界”，并以“能够用计算思维分析问题，并具有编写计算机程序以解决此类问题的重复实践经验”为课程目标^[11]。

　　伦敦女王大学的保罗·柯松(Pual Curzon)教授等人在教育部的支持下提出了计算课程中计算思维的具体框架，包含以下五点^[12]。一是算法思维(Algorithmic thinking)，指学生通过明确的步骤来获得解决复杂问题的思维方式，相对于具体的运算结果，算法思维更强调的是学生面对复杂问题的思考方式。二是评估(Evaluation)，指学生对算法优劣的鉴别以及评估能力，即需要从一系列的算法方案中选择一个成本最低、速度最快的理想解决方案。三是分解(Decomposition)，指学生在面对大型项目或复杂问题时，能够将原始任务进行分解，并保证这些被分解的任务能在后期被有序整合，以完成复杂任务或项目。四是抽象(Abstraction)，指学生能够有效地排除问题中不重要的细节部分，将问题化繁为简，其关键在于选择最优表达，不同的表达能够使问题更加易于思考。五是归纳(Generalization)，指学生通过以前解决的问题，归纳出相应的问题解决范式，并根据新的问题情境进行调整，使其能够快速解决同类问题。

　　(二)从信息技术教材看计算思维培养

　　英国高中计算课程对应KS4的学习，相当于我国高一、高二年级，而这两年的计算课程是为普通中等教育证书(GCSE)考试而设计的，类似于我国的会考。英国计算课程结构分为必修和选修两大模块。针对计算思维的培养，在KS4教师指导手册中有明确的课程内容及课时安排(见表1)。

表1   英国计算课程（Computing）学习模块设计

　　从教材安排上来看，英国计算课程教材必修内容较多，对编程、数据、算法较为重视，偏重技术应用。下面将选取英国有关数据部分的教材进行计算思维分析。以英国霍德教育出版社的计算科学(Computer Science)教材“数据的表达”模块内容为例，从英国的课程标准和科尔克马兹评价测量^[13]两个视角来分析该教材中有关计算思维的内容，具体如表2所示。

表2   英国计算课程（Computing）教材计算思维分析

　　分析英国计算课程教材可以发现，英国较重视计算与技术，在教学中通过大量习题巩固知识点，促进学生的思维进入高阶层次。从英国计算课程标准对计算思维的定义来看，英国对计算思维的评估(evaluation)维度较为重视，评估是为了引导学生在解决问题和产生疑问时学会多角度、全面地分析问题，最终根据具体需求确定一个最为适宜的解决策略^[14]。英国在计算课程教材中通过提供情境性提升练习，让学生使用所学知识选择最合适的解决策略，从而提升计算思维。但教材中的文字表征多以封闭性的知识技能讲授和练习为主，缺少启发性语言和关键支架，容易导致学生游离于教材之外，不利于激发学习兴趣。

　　从科尔克马兹的计算思维量表来看英国的计算课程教材可以发现，教材对于创造力和协作能力的培养较为薄弱，教材内容仍以传统讲授式教学为主，缺乏让学生发挥创造力合作完成的项目。

　　(三)从跨学科教学看计算思维培养

　　虽然程序设计是发展学生计算思维的一种重要载体，但计算思维教育的最终目标不是让每个人成为计算机科学家，而是教会他们应用这些共同元素来解决问题，并发现可以在所有学科内和跨学科中探索新的问题^[15]。

　　英国伦敦大学学院在英国教育基金会的支持下于2014年推出ScratchMaths项目，将Scratch图形化编程与小学五至六年级的数学课程融合，项目组在计算思维于数学思维之间构建联系，制订了Explore(探索)、Envisage(预测)、Explain(解释)、Exchange(交流)、bridgE(联结)“5E”框架，指导教师进行教学设计^[16]。研究结果表明，在为期两年的SM项目结束时，SM项目的干预对学生的计算思维有积极影响^[17]。

　　2017年，英国伦敦大学学院与英国图书馆合作，将计算思维与人文学科融合，让初中生基于《贝奥武甫》的阅读利用MissionMaker(一种类似自然语言的游戏设计软件)开发3D游戏。此项目将编程视为一种表达活动，游戏需要融合动画、音乐、口语和书面语，这些都需要由计算机程序编排控制。在此项目中，学生不仅要理解《贝奥武甫》，还需要通过编程展示游戏的美学和人文水平^[18]。

　　(四)英国优秀举措

　　1.伦敦计算教学网站

　　英国在计算思维的教育上提供了很多网站供学生和教师自主学习。其中，在伦敦学校卓越基金和教育部的支持下建立的伦敦计算教学网站(Teaching London Computing)，与英国多所高校合作开发了跨学科计算资源。该网站有单独的跨学科计算专栏，包含计算科学与文学、数学、生物学、哲学、音乐、历史等多达12个学科的整合教学。例如，在计算机与历史的课程整合中，从古希腊埃拉托斯特尼的数筛到都铎王朝时代的培根密码(第一次用二进制来表示字符)，再到二战的Colossus计算机，该模块在讲述历史故事的过程中引导学生思考其中的计算思维，旨在为英国乃至全球的学校提供出色而有趣的计算教育，在各个学科渗透计算思维的培养。

　　2.女童的计算思维教育

　　英国在计算机教育中力图打破性别刻板印象。早在2011年，英国就对信息与通信技术(ICT)领域的性别失衡做出了统计分析^[19]。惠康信托基金会的一项报告指出，从7到9年级，计算机是女孩最不喜欢的科目^[20]。其他研究表明，与男孩相比，女孩往往被低估了她们在编程方面的表现，并且对自己在计算方面的效能感较低^[21]。针对这一点，英国在2018年通过推出提高女生STEM能力的“STEM is for girls”项目，以及旨在让女生通过学习Micro: bit开发新软件和应用程序从而进一步接触计算机技术的“Girl Power Codefest”项目^[22]。同时，伦敦计算教学网站也专门设置了Women Computing栏目，该栏目提供了近几十年来计算机领域杰出女性研究人员的详细资料和相关文章、小说。这些都能够帮助女性打破刻板印象，提高其学习计算课程的兴趣，从而发展计算思维。

　　四、英国计算思维教育的启示

　　一是国家政策引领，整合资源，搭建平台。英国在推进计算思维教育过程中，不仅得到了国家方面的政策和资金支持，同时还有来自高校、科技公司、行业组织等的大力支持。我国也可以参考该模式，整合校内外资源，构建多方合作的计算思维培养共同体，将正式教育与非正式教育相融合，充分发挥各自优势，逐步形成计算思维教育生态系统，实现计算思维的全方位发展。

　　二是完善对信息科技/信息技术课程的评价，形成“教-学-评”反馈闭环，以评促教。英国重视计算课程的评估，认为评估应该侧重于课程中确定的知识技能，而不是通用能力，同时强调形成性评价的重要性。研究表明，定期测试能鼓励学生主动学习，增加他们对学科内容的参与度，减少对考试的焦虑，从而提高学习能力^[23]。我国当前在信息科技/技术的形成性和总结性评价上还较为缺乏。目前，我国的计算思维教育基本上是依托信息科技课程(义务教育阶段)和信息技术课程(高中阶段)开展，想要提高学生的计算思维，势必要完善对信息科技/技术课程的评价。我国2022年最新发布的信息科技课程标准只提供了计算思维各个学段的学习目标，缺乏明确的计算思维评价指标，不利于教师分析学生的计算思维能力水平。由于计算思维概念较为抽象，其测评不仅要考察学生在算法、抽象、建模、归纳等认知层面的能力，还需综合考虑学生创造力、协作交流等非认知层面的能力，这就需要注意学生外显行为和内隐意识的转变。因此，在未来的信息科技课程评价中，应该增加对计算思维的过程性和总结性的评价。如英国的计算课程教材，为信息科技教材提供了配套练习，同时针对不同学习阶段的学生采取侧重点不同的评价方式。

　　三是在多学科中培养计算思维。计算思维具有普遍性，需要强调其跨学科的运用，即计算思维的培养不能仅仅局限在信息技术课堂中^[24]，它不再是计算机学科特有的思维，包括人文社科在内的所有现代科学都具备自身特点的计算思维^[25]。因此，可以将计算思维整合到STEAM教育中，开展不同形式的跨学科主题活动，培养学生运用多学科知识解决问题的能力。我国对于计算思维的培养重心大多放在STEM相关学科，与人文艺术学科相融合的教学实践较少。从英国计算思维教育与人文社科学科融合的成功经验来看，我国也可以建立信息科技教育相关网站，与高校以及相关科技公司联合开发跨学科计算思维培养课程，以讲故事的形式呈现不同学科中的计算思维，为学生提供丰富的计算思维学习资源。

　　四是重视教师培训，提高教师的计算思维。在计算思维教育过程中，教师的计算思维水平直接影响学生计算思维能力的发展，为了更好地在各个学科培养学生的计算思维，势必要提高师范生的计算思维。因此，在师范生的培养方案中应该增加与学科相关的计算思维课程，以加深未来教师对计算思维与学科融合的应用和理解。同时，还需要对在职教师进行计算思维培训，积极尝试不插电的计算思维教育实践，培养教师的游戏化、故事化教学设计思维，在具体的学科教学活动中，可利用卡片、水杯、动作等不插电工具以促进未来各个学科计算思维教学实践活动的开展。

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Analysis and Enlightenment of K-12 Stage Computational Thinking Education

in the United Kingdom

LI Bing CAI Yudie HUANG Jinglei

(College of Education，Shenzhen University, Shenzhen 518060)

　　Abstract： Computational thinking, as a necessary capability for learners to cope with the rapid change of social science and technology in the future, has been highly valued by many countries. It has been incorporated into the national curriculum standards and attracted a lot of investment. As one of the countries with developed education informationization, Britain has paid early attention to the computational thinking education for children, so that a lot of practice and research has been accumulated. This paper reviews policies and evaluation methods of British computational thinking education in K-12 stage, and analyzes its practice in terms of curriculum standards, teaching materials and interdisciplinary teaching. Suggestions have been put forward to our country as follows. A platform for computational thinking education should be built that would actively integrate resources inside school and outside school. The evaluation of information technology courses should be improved. The teacher training would deserve more attention. The multi-disciplinary manner is encouraged for computational thinking education.

　　Keywords: Computational thinking; K-12 education; Information science and technology; United Kingdom; Teaching practices; Evaluation methods

　　(责任编辑 郭向和　校对 姚力宁)