一、引言

在計(jì)算的重要性和強(qiáng)度與日俱增的信息時(shí)代，人類正經(jīng)歷著第三次認(rèn)知革命，即IT革命。計(jì)算思維（Computational Thinking）對(duì)于當(dāng)前K-12階段的孩子而言，是一種觀察和理解周邊世界的全新視角，是一種利用計(jì)算的過(guò)程和方法來(lái)理解和解決問(wèn)題的全新能力，也是他們應(yīng)對(duì)未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)與挑戰(zhàn)的必備技能。

近年來(lái)，隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等技術(shù)在眾多行業(yè)中展現(xiàn)出的計(jì)算優(yōu)勢(shì)和變革力量，關(guān)于計(jì)算思維培養(yǎng)的研究與實(shí)踐在世界各地持續(xù)升溫，且落腳點(diǎn)由早期的高等教育領(lǐng)域開(kāi)始向K-12階段轉(zhuǎn)移。越來(lái)越多的國(guó)家已經(jīng)進(jìn)入或正在實(shí)施將計(jì)算思維納入學(xué)校課程體系的進(jìn)程中。

Henderson等認(rèn)為，計(jì)算思維作為現(xiàn)代科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)（即STEM）學(xué)科的核心，在K-12中開(kāi)展計(jì)算思維培養(yǎng)的時(shí)代已然到來(lái)了。但如何開(kāi)展，基于對(duì)計(jì)算思維不同的概念理解，不同的國(guó)家、組織和研究人員在實(shí)踐中提出了多樣化的計(jì)算思維培養(yǎng)途徑和評(píng)價(jià)方法。在此，我們嘗試對(duì)這些實(shí)踐和研究加以梳理，以理清對(duì)于計(jì)算思維概念的實(shí)踐認(rèn)知，通過(guò)總結(jié)目前國(guó)內(nèi)外K-12階段開(kāi)展計(jì)算思維實(shí)踐與評(píng)估的發(fā)展概況，以期為我國(guó)K-12階段計(jì)算思維培養(yǎng)的實(shí)施提供一些有益參考。

二、K-12實(shí)踐中對(duì)計(jì)算思維的認(rèn)知與理解

（一）對(duì)計(jì)算思維的認(rèn)知與理解

作為科學(xué)思維譜系中的三大思維模式之一（其他兩個(gè)為實(shí)證思維和邏輯思維），計(jì)算思維的本質(zhì)是解決問(wèn)題的思維與能力。雖然計(jì)算思維在教學(xué)實(shí)踐中常常與計(jì)算科學(xué)領(lǐng)域緊密相連，但它并不是一個(gè)伴隨計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)而出現(xiàn)的概念，當(dāng)我們?cè)谔幚碇T如問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的問(wèn)題并描述與規(guī)劃時(shí)，都會(huì)看到計(jì)算思維的影子，即使定義并不是很清晰。不過(guò)，正是由于計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，計(jì)算思維的研究和發(fā)展才起了根本性的轉(zhuǎn)變。隨著社會(huì)生產(chǎn)與生活中計(jì)算程度的日漸加劇，人們開(kāi)始關(guān)注如何將計(jì)算機(jī)這種自動(dòng)處理信息的能力應(yīng)用到更為廣泛的領(lǐng)域。一些計(jì)算科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家，在設(shè)計(jì)、測(cè)試和使用計(jì)算模型來(lái)進(jìn)行研究的過(guò)程中，開(kāi)始使用起“計(jì)算思維”這個(gè)術(shù)語(yǔ)。但在最初階段，對(duì)于非計(jì)算科學(xué)領(lǐng)域的人員還比較難以理解和應(yīng)用。而現(xiàn)在被普遍認(rèn)可的計(jì)算思維概念是由周以真（Jeannette M. Wing）于2006年所提出，其正式提出的同時(shí)，也將計(jì)算思維的培養(yǎng)與實(shí)踐引入了K-12階段。

近年來(lái)，圍繞“如何識(shí)別計(jì)算思維”、“怎樣才能最好地培養(yǎng)孩子的計(jì)算思維”、“計(jì)算思維培養(yǎng)與編程、計(jì)算機(jī)如何分離”等實(shí)踐問(wèn)題，研究者們從不同視角對(duì)計(jì)算思維的定義進(jìn)行了不同描述和理解。對(duì)這些解釋和認(rèn)知，我們從偏向抽象概念還是偏向?qū)嵺`操作，以及側(cè)重計(jì)算科學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)還是側(cè)重思維能力培養(yǎng)兩個(gè)維度，加以歸納整理，得到表1。其中，偏抽象概念的理解傾向于定義計(jì)算思維的普遍特征，而偏實(shí)踐操作的理解傾向于闡述計(jì)算思維培養(yǎng)過(guò)程的操作性定義；知識(shí)學(xué)習(xí)的角度側(cè)重于培養(yǎng)基于計(jì)算科學(xué)基礎(chǔ)的教與學(xué)開(kāi)展，如算法、糾錯(cuò)等，而思維培養(yǎng)的角度側(cè)重于聚焦解決問(wèn)題的思維構(gòu)建，如抽象、表達(dá)等。

從表1中，我們不難發(fā)現(xiàn)從知識(shí)學(xué)習(xí)的角度進(jìn)行的實(shí)踐操作性定義最多，這一認(rèn)知將計(jì)算科學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)作為思維發(fā)展的載體，有利于指導(dǎo)計(jì)算思維培養(yǎng)實(shí)踐與操作，結(jié)合現(xiàn)有的計(jì)算科學(xué)知識(shí)體系也更容易對(duì)實(shí)踐結(jié)果展開(kāi)評(píng)價(jià)。但也不難看出，計(jì)算思維培養(yǎng)最核心的工作其實(shí)是思維能力的建立和養(yǎng)成，這已成為一個(gè)不爭(zhēng)的實(shí)踐共識(shí)。如何有效發(fā)展計(jì)算思維能力，并對(duì)計(jì)算思維能力的發(fā)展結(jié)果進(jìn)行觀察和量化評(píng)價(jià)，則是今后教育開(kāi)展的實(shí)踐難題。

在我們看來(lái)，計(jì)算思維的培養(yǎng)試圖將計(jì)算機(jī)科學(xué)的問(wèn)題解決方式和過(guò)程延伸到其他所有的學(xué)科領(lǐng)域，通過(guò)抽象化、模型化等方法分析問(wèn)題，然后形成可以計(jì)算化、自動(dòng)化的解決方案；其核心事務(wù)就是培養(yǎng)學(xué)生如何建構(gòu)目標(biāo)的問(wèn)題域，分解任務(wù)邏輯，并抽象成系統(tǒng)方法并用計(jì)算機(jī)加以實(shí)現(xiàn)。但不管如何理解，周以真對(duì)計(jì)算思維特征的描述給了我們?cè)趯?shí)踐開(kāi)展方面最基本的指導(dǎo)原則：（1）培養(yǎng)不是簡(jiǎn)單的程序化，不僅僅只是計(jì)算機(jī)編程；（2）培養(yǎng)不是刻板技能的機(jī)械重復(fù)；（3）培養(yǎng)不是要人像計(jì)算機(jī)那樣思考，需要發(fā)揮人的創(chuàng)造力和想象力；（4）培養(yǎng)應(yīng)關(guān)注思維發(fā)展過(guò)程而非最后的計(jì)算結(jié)果或制品；（5）培養(yǎng)的是一種所有人都必須具備的基本能力。

（二）與計(jì)算思維培養(yǎng)相關(guān)的概念

計(jì)算思維描述了我們思考如何利用計(jì)算機(jī)來(lái)解決問(wèn)題時(shí)所采用的過(guò)程和方法。通過(guò)對(duì)計(jì)算思維多個(gè)概念的解讀，綜合來(lái)看，計(jì)算思維就是在計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)上定義、理解和解決問(wèn)題。在實(shí)踐層面上，表現(xiàn)為具體的問(wèn)題解決過(guò)程中的形式化、模型化、系統(tǒng)化、自動(dòng)化；在理論層面上，包含算法、邏輯、糾錯(cuò)和抽象等組成元素。計(jì)算思維的內(nèi)涵和構(gòu)成，都體現(xiàn)了它不是一個(gè)獨(dú)立存在的概念。因此，它在實(shí)踐中常常與算法思維（Algorithmic Thinking）、編程思維（Programming/Coding Thinking）、數(shù)學(xué)思維（Mathematical Thinking）和工程思維（Engineering Thinking）等概念交叉在一起，相互串聯(lián)。計(jì)算思維與上述思維之間的關(guān)系，如圖1所示。

算法思維是理解計(jì)算機(jī)科學(xué)的關(guān)鍵，與構(gòu)建和理解算法的指令有關(guān)，包括功能分解，重復(fù)（迭代和/或遞歸），基本數(shù)據(jù)組織（記錄、數(shù)組、列表）、泛化和參數(shù)化，算法和程序，自頂向下的設(shè)計(jì)和細(xì)化。算法思維是一種關(guān)于方法細(xì)節(jié)導(dǎo)向的思維方式，具有很強(qiáng)的創(chuàng)造性，要求能夠構(gòu)建解決給定問(wèn)題的新算法。根據(jù)周以真教授對(duì)計(jì)算思維的定義可知，算法思維是計(jì)算思維的核心概念之一，培養(yǎng)學(xué)生的算法思維可有效促進(jìn)其計(jì)算思維的發(fā)展。

編程思維是以程序的方式來(lái)思考并通過(guò)分析概念的本質(zhì)和屬性來(lái)解決問(wèn)題。編程思維要求學(xué)習(xí)者理解編程語(yǔ)言也是一種語(yǔ)言，了解計(jì)算機(jī)的代碼如何解釋，認(rèn)識(shí)一些基本的邏輯結(jié)構(gòu)；明白達(dá)到目標(biāo)可進(jìn)行不同選擇，方式并不單一。編程思維包括框架思維、拆解思維、函數(shù)思維等。而編寫(xiě)程序是當(dāng)前培養(yǎng)計(jì)算思維最主要的手段。編程思維能夠有效幫助學(xué)習(xí)者了解編程語(yǔ)言并設(shè)計(jì)程序的邏輯結(jié)構(gòu)，進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，從而發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維。

數(shù)學(xué)思維是一種看待事物的方式，即把事物分解成數(shù)字、結(jié)構(gòu)或邏輯的本質(zhì)，并分析其潛在的模式。它最大的認(rèn)識(shí)特征是概念化、抽象化、模式化。數(shù)學(xué)思維與公式操作、表現(xiàn)現(xiàn)實(shí)事物、函數(shù)值性狀、化為簡(jiǎn)單的問(wèn)題、討論無(wú)窮的問(wèn)題、推廣、抽象推理、信息構(gòu)造和算法這九個(gè)范疇密切相關(guān)。計(jì)算思維吸收了數(shù)學(xué)思維的部分理論和方法用以解決問(wèn)題，例如，抽象化和模式化等，兩者的發(fā)展具有很大的正相關(guān)性。

工程思維是在工程的設(shè)計(jì)和研究中形成的思維，是運(yùn)用各種知識(shí)解決工程實(shí)踐問(wèn)題的核心。作為一種籌劃型的思維方式，工程思維要求邏輯地發(fā)現(xiàn)主客體的屬性，將主客體之間的各種價(jià)值聯(lián)系非邏輯地復(fù)合在一起，并識(shí)別和評(píng)價(jià)出最佳的解決方案。按常規(guī)定義，工程思維可分為邏輯思維、形象思維和頓悟思維。從解決問(wèn)題的視角，計(jì)算思維可以說(shuō)是工程思維的一個(gè)組成部分，但計(jì)算思維強(qiáng)調(diào)的是在計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)上的問(wèn)題解決，在實(shí)踐中繼承了工程思維的統(tǒng)籌特性。

理清這些思維之間的關(guān)聯(lián)作用，將有利于我們?cè)趯?shí)踐開(kāi)展中有意識(shí)地彼此配合并加以有效利用，實(shí)現(xiàn)共同良性發(fā)展。

三、計(jì)算思維培養(yǎng)實(shí)踐在K-12中的開(kāi)展現(xiàn)狀

（一）各國(guó)計(jì)算思維培養(yǎng)實(shí)踐一覽

2017年《地平線報(bào)告（基礎(chǔ)教育版）》指出，培養(yǎng)中小學(xué)生的計(jì)算思維是21世紀(jì)一個(gè)重要的課題，計(jì)算思維應(yīng)該是閱讀、寫(xiě)作、計(jì)算之外的另外一項(xiàng)必須熟練掌握的基本技能。自周以真將計(jì)算思維的概念引入K-12后，如何在K-12階段培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，引起了各國(guó)教育相關(guān)部門(mén)的高度重視。越來(lái)越多的國(guó)家或國(guó)際組織開(kāi)始在中小學(xué)教育的目標(biāo)任務(wù)中明確納入計(jì)算思維培養(yǎng)的內(nèi)容，并積極展開(kāi)各種實(shí)踐探索。將計(jì)算思維引入K-12階段，是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，不僅需要課程體系的系統(tǒng)改變和教師意識(shí)轉(zhuǎn)變與精力的投入，還需要大量相關(guān)性的資源和服務(wù)的支持。表2從實(shí)踐的課程/項(xiàng)目、培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)、研究機(jī)構(gòu)、實(shí)施工具和師資培訓(xùn)等多個(gè)維度，對(duì)當(dāng)前各國(guó)的實(shí)踐現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理。

雖然，在實(shí)踐中，有些國(guó)家對(duì)于計(jì)算思維培養(yǎng)的表述和需求還不十分明朗和直接，但培養(yǎng)的意圖和轉(zhuǎn)變已越來(lái)越清晰，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.在課程設(shè)置方面

當(dāng)新的內(nèi)容需要引入時(shí)，亟需解決的一個(gè)核心問(wèn)題就是在什么地方添加、該如何添加。不同國(guó)家和地區(qū)采取了不同的方式，有的替代已有的課程（如，英國(guó)），有的開(kāi)設(shè)全新的課程（如，澳大利亞、香港地區(qū)），而大部分是做為選修內(nèi)容添加，或與其他課程（尤其是STEM方面的課程）進(jìn)行整合，貫穿在主題教學(xué)活動(dòng)中。由于計(jì)算思維與計(jì)算科學(xué)或信息技術(shù)等課程密切相關(guān)，這些課程的原有基礎(chǔ)對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)起著重要的作用。因此，實(shí)踐在聚焦計(jì)算思維的問(wèn)題解決能力，將其作為一種基礎(chǔ)能力進(jìn)行培養(yǎng)外，還繼承了以往包含信息素養(yǎng)、編程能力、數(shù)字競(jìng)爭(zhēng)力在內(nèi)的培養(yǎng)任務(wù)。

但計(jì)算思維的跨學(xué)科發(fā)展卻又需要“從計(jì)算科學(xué)中分離出來(lái)”，從認(rèn)知和教學(xué)法上探索新的發(fā)展。因此，部分國(guó)家和地區(qū)還建立了教師培訓(xùn)與資源共享的支持體系，以滿足實(shí)踐的新需求，而這也是各國(guó)或地區(qū)在后續(xù)發(fā)展中將共同面臨的一大挑戰(zhàn)。

2.在課程目標(biāo)方面

大多數(shù)國(guó)家或地區(qū)都為K-12不同年齡階段學(xué)生的計(jì)算思維培養(yǎng)，建立了不同的目標(biāo)體系，如，澳大利亞、英國(guó)、美國(guó)等，這使得實(shí)踐活動(dòng)的開(kāi)展有明確的參考標(biāo)準(zhǔn)。在培養(yǎng)活動(dòng)中，編程都被作為計(jì)算思維發(fā)展的重要載體，充當(dāng)思維表現(xiàn)的工具和評(píng)判的依據(jù)。在K-12的初級(jí)階段，培養(yǎng)目標(biāo)是通過(guò)編程形式引入計(jì)算思維的概念，關(guān)注于信息素養(yǎng)和數(shù)字競(jìng)爭(zhēng)力方面；而到了較高階段后，則關(guān)注于計(jì)算思維在更多學(xué)科中的融合，強(qiáng)調(diào)解決問(wèn)題能力以及計(jì)算思維的社會(huì)影響價(jià)值。

3.在課程工具方面

在K-12階段，有效培養(yǎng)計(jì)算思維的工具，必須具備低門(mén)檻和高上限兩個(gè)特征，即，一方面易于初學(xué)者入門(mén)，另一方面，良好的拓展性又能很好地支持高階能力發(fā)展?？梢暬幊蹋ū热纾琒cratch、Alice和Kodu）、基于Web的仿真創(chuàng)作工具（比如，Agentsheets和Agentcubes）以及用于教育機(jī)器人、科學(xué)實(shí)驗(yàn)的低成本開(kāi)放源碼硬件設(shè)備（比如，Arduino）這三類，在近年來(lái)的實(shí)踐中常被作為計(jì)算思維培養(yǎng)的課程工具。它們滿足“低地板、高天花板”的原則，能很好地突破傳統(tǒng)計(jì)算思維培養(yǎng)的技術(shù)瓶頸，將計(jì)算思維培養(yǎng)模式貫徹落實(shí)。在這三者中，圖形化的編程環(huán)境毫無(wú)疑問(wèn)更適合初學(xué)者，使他們能繞過(guò)代碼語(yǔ)法的門(mén)檻，而更關(guān)注于設(shè)計(jì)和創(chuàng)造。

在這些實(shí)踐中，美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）和國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）兩大組織，由于他們特定的使命和權(quán)威，在落實(shí)K-12計(jì)算思維的培養(yǎng)實(shí)踐中發(fā)揮著尤為重要的作用。他們從領(lǐng)導(dǎo)力建設(shè)、培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)、課程資源和教師發(fā)展上，給出了較為系統(tǒng)和詳實(shí)的實(shí)踐指南。以他們所提出的“計(jì)算思維學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)案例”（CTLEs）為例（如表3所示），其目標(biāo)是為了指導(dǎo)K-12階段的教師們有效將計(jì)算思維的培養(yǎng)與學(xué)科學(xué)習(xí)活動(dòng)結(jié)合起來(lái)。因此，每個(gè)具體學(xué)習(xí)活動(dòng)的教案旁邊，都附有計(jì)算思維培養(yǎng)的操作指南。指南體現(xiàn)為：概括了學(xué)習(xí)活動(dòng)中蘊(yùn)含的計(jì)算思維技能，以及要求達(dá)到的計(jì)算思維態(tài)度；分析了活動(dòng)各個(gè)階段細(xì)節(jié)中強(qiáng)調(diào)的計(jì)算思維詞匯和要培養(yǎng)的計(jì)算思維態(tài)度。

（二）計(jì)算思維的跨學(xué)科實(shí)踐與應(yīng)用

計(jì)算技術(shù)在各領(lǐng)域的滲透，促使研究者們以一種計(jì)算的視角看待問(wèn)題并探索問(wèn)題的解決策略。而作為一種問(wèn)題解決的方式，計(jì)算思維本身最大的優(yōu)勢(shì)在于它作用的范圍非常廣泛，能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)移和應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科，協(xié)助完成很多事情，如，量子物理、高級(jí)生物學(xué)、人機(jī)系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)有用的計(jì)算工具等。學(xué)生通過(guò)接觸計(jì)算機(jī)科學(xué)的方法和技術(shù)，發(fā)現(xiàn)周邊問(wèn)題與計(jì)算的聯(lián)系，并用計(jì)算方法開(kāi)展個(gè)性化設(shè)計(jì)、反思與協(xié)作，其在提升自身解決問(wèn)題能力的同時(shí)，也發(fā)展了其他學(xué)科的能力。因此，從某種程度上講，計(jì)算思維是將計(jì)算機(jī)教育的成果無(wú)限放大的催化劑。計(jì)算思維培養(yǎng)在K-12階段得到廣泛重視的同時(shí)，其在跨學(xué)科中的實(shí)踐與應(yīng)用也得到了較好的關(guān)注與發(fā)展。

美國(guó)西北大學(xué)研究人員將計(jì)算思維引入高中數(shù)學(xué)和科學(xué)課堂，對(duì)整個(gè)課程學(xué)習(xí)產(chǎn)生了積極影響。課程開(kāi)發(fā)工作由研究人員和在職的數(shù)學(xué)科學(xué)教師共同完成。在整個(gè)課程學(xué)習(xí)過(guò)程中，教師把學(xué)科內(nèi)容和計(jì)算思維以算法的形式和數(shù)據(jù)的形式結(jié)合起來(lái)，讓學(xué)生使用現(xiàn)代的計(jì)算工具解決問(wèn)題，把真實(shí)性帶到活動(dòng)中。芝加哥大學(xué)研究人員在其附屬中學(xué)的高中美術(shù)課上增加了計(jì)算思維的活動(dòng)，要求學(xué)生在課堂上設(shè)計(jì)作品原型并用3D打印機(jī)打印。課程活動(dòng)中體現(xiàn)的計(jì)算思維焦點(diǎn)主要是抽象和溝通，即培養(yǎng)學(xué)生準(zhǔn)確地指定信息以避免歧義的能力。

美國(guó)3rd Lab的CHEM+C項(xiàng)目在多個(gè)科目中開(kāi)展了計(jì)算思維的跨學(xué)科應(yīng)用，旨在學(xué)科學(xué)習(xí)中發(fā)展與學(xué)習(xí)者計(jì)算思維相關(guān)的能力。其課程活動(dòng)的設(shè)計(jì)由本科生、研究生以及K-12階段的教師共同參與完成。典型案例有：在八年級(jí)語(yǔ)言藝術(shù)學(xué)科中，重視培養(yǎng)學(xué)生對(duì)信息系統(tǒng)化處理、調(diào)試和錯(cuò)誤檢測(cè)的能力；在七年級(jí)社會(huì)學(xué)科中，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)信息的系統(tǒng)化處理能力；在八年級(jí)地球科學(xué)課程中，課程活動(dòng)設(shè)計(jì)蘊(yùn)含計(jì)算思維中的抽象和模式概括，以及迭代、遞歸和并行的思維過(guò)程。

Google計(jì)算思維探索團(tuán)體在面向11-18歲學(xué)習(xí)者的語(yǔ)言和歷史學(xué)科中，選擇使用電子表格函數(shù)來(lái)評(píng)估語(yǔ)言中常見(jiàn)的使用情況。學(xué)習(xí)者在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中，將分析大量數(shù)據(jù)里的拼寫(xiě)錯(cuò)誤，找出模式，發(fā)展抽象能力并明白大量數(shù)據(jù)可以呈現(xiàn)很多關(guān)于社會(huì)的信息。Desmos是（一款數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)圖形計(jì)算器軟件）設(shè)計(jì)使用線性模型來(lái)預(yù)測(cè)智能手機(jī)需要多長(zhǎng)時(shí)間才能完全充電的數(shù)學(xué)活動(dòng)，在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)習(xí)者需要收集和分析數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了計(jì)算思維的融入。Wolfram Alpha（新一代的搜索引擎，能根據(jù)問(wèn)題直接給出答案）在地理學(xué)科里加入了計(jì)算思維，在課程活動(dòng)中，學(xué)習(xí)者對(duì)數(shù)據(jù)的分析體現(xiàn)了濃厚的計(jì)算思維色彩。

美國(guó)Code.org組織與獲獎(jiǎng)項(xiàng)目GUTS（Growing Up Thinking Scientifically）合作，將計(jì)算機(jī)科學(xué)概念引入科學(xué)課堂。學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中， 使用MIT提供的Starlogo Nova工具建立計(jì)算模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，建模和模擬的活動(dòng)中包含計(jì)算思維。美國(guó)奇幻工房（Wonder Workshop）參考2016年CSTA 標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)K-8孩子開(kāi)發(fā)了旨在將編程與其他學(xué)科進(jìn)行整合的課程體系：Code to Learn。在該課程體系下，課程由各個(gè)學(xué)科的教育專家結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)開(kāi)發(fā)完成。課程將通過(guò)機(jī)器人幫助學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、科學(xué)、語(yǔ)言、社會(huì)學(xué)和美術(shù)等學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)以上案例的分析，我們不難發(fā)現(xiàn)，計(jì)算思維的跨學(xué)科實(shí)踐存在以下共性：（1）課程設(shè)計(jì)一般由研究計(jì)算思維的專業(yè)人士與K-12階段教師共同完成，這既保證了計(jì)算思維的貫徹落實(shí)，又確保了學(xué)科教學(xué)的合理性和科學(xué)性；（2）課程設(shè)計(jì)將教學(xué)過(guò)程中的問(wèn)題與計(jì)算思維的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)，既可解決教學(xué)問(wèn)題，又提供了一種學(xué)生在學(xué)習(xí)中思考和解決問(wèn)題的新方法；（3）計(jì)算思維在跨學(xué)科的融合過(guò)程中，針對(duì)不同學(xué)科的不同問(wèn)題情境，運(yùn)用到的計(jì)算思維的側(cè)重點(diǎn)會(huì)有所不同，在于實(shí)現(xiàn)與其他學(xué)科的最佳融合。總之，計(jì)算思維的跨學(xué)科實(shí)踐最核心的價(jià)值在于：通過(guò)運(yùn)用計(jì)算化的思維方式審視學(xué)科問(wèn)題，建立關(guān)聯(lián)以尋找更優(yōu)或全新的解決方案。

四、計(jì)算思維在K-12培養(yǎng)實(shí)踐中的評(píng)價(jià)

計(jì)算思維的評(píng)價(jià)在K-12培養(yǎng)實(shí)踐中占據(jù)著重要位置，是開(kāi)展培養(yǎng)活動(dòng)的依據(jù)，也是評(píng)判培養(yǎng)成效的證據(jù)。作為一種獨(dú)特的能力組合，計(jì)算思維是將計(jì)算機(jī)科學(xué)中的問(wèn)題解決方法在所有學(xué)科領(lǐng)域里延伸和拓展，其培養(yǎng)不同于計(jì)算機(jī)使用技巧的操練，也不同于計(jì)算機(jī)理論的學(xué)習(xí)，無(wú)法完全沿用以往的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和手段。計(jì)算思維的評(píng)價(jià)需要有效表征，評(píng)價(jià)學(xué)生在計(jì)算活動(dòng)中的行為過(guò)程、能力表現(xiàn)與學(xué)習(xí)結(jié)果，關(guān)鍵是確定學(xué)生在不同維度上的表現(xiàn)性指標(biāo)（知識(shí)、技能或態(tài)度），并建立對(duì)應(yīng)具有可操作性的等級(jí)體系標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，個(gè)體在計(jì)算思維的發(fā)展上，由于自身認(rèn)知基礎(chǔ)、能力偏向、興趣動(dòng)機(jī)的差異，再加上過(guò)程中對(duì)不同情境、不同支持的反應(yīng)，其最終的評(píng)價(jià)應(yīng)該綜合使用多種方法和手段，以盡可能全面地納入學(xué)生在不同維度上的發(fā)展信息與細(xì)節(jié)，從而真實(shí)地反映他們的計(jì)算思維發(fā)展水平。

由于早期關(guān)于計(jì)算思維的討論主要是在高等教育的水平層次上，而如何落腳到K-12階段，目前尚沒(méi)有一個(gè)能被廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)。但在K-12階段計(jì)算思維的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)上，現(xiàn)有研究基本都采用了多維度、分層次設(shè)置的方法，結(jié)合計(jì)算機(jī)學(xué)科、問(wèn)題解決過(guò)程的一些內(nèi)容要素，并以年級(jí)作為劃分參考。

其中，最具權(quán)威性的文本是計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）與美國(guó)教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）聯(lián)合給出的針對(duì)不同學(xué)齡段學(xué)生應(yīng)達(dá)到的計(jì)算思維水平的“案例指南”。該文本將計(jì)算思維分為九個(gè)維度，分別是數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)表示、問(wèn)題分解、抽象、算法和過(guò)程、自動(dòng)化、模擬和并行，并用案例描述了K-12學(xué)生在不同階段需要掌握計(jì)算思維能力水平的行為參考表現(xiàn)。而臺(tái)灣師范大學(xué)在CSTA和ISTE的基礎(chǔ)上，征詢了13個(gè)計(jì)算科研人員、計(jì)算科學(xué)教育家、K-12計(jì)算科學(xué)老師以及行業(yè)專家后，經(jīng)過(guò)三輪問(wèn)詢，將計(jì)算思維實(shí)踐的能力表現(xiàn)分為九個(gè)方面，分別為解決問(wèn)題、問(wèn)題分解、算法、數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)分析、建模與仿真、抽象、自動(dòng)化和拓展；同時(shí)，對(duì)K-12不同階段的學(xué)生必須或需要掌握的能力類型進(jìn)行了劃分。我國(guó)的《高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》則是將計(jì)算思維劃分為四個(gè)等級(jí)（預(yù)備級(jí)、水平1、水平2、水平3），并對(duì)每一個(gè)水平下需要達(dá)到的計(jì)算思維素養(yǎng)提出了具體的要求。

計(jì)算思維培養(yǎng)的核心內(nèi)容，其實(shí)就是方法的訓(xùn)練習(xí)得和思維的遷移養(yǎng)成，針對(duì)這一轉(zhuǎn)變，大多數(shù)研究和實(shí)踐都采用基于情境、基于實(shí)證、基于數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)方法來(lái)加以考察和測(cè)量。由于計(jì)算思維是對(duì)問(wèn)題求解的思維過(guò)程，而問(wèn)題是在情境中產(chǎn)生的，所以大多數(shù)評(píng)價(jià)方式都是在一定情境設(shè)定下開(kāi)展的。表4對(duì)當(dāng)前常用的評(píng)價(jià)方式進(jìn)行了總結(jié)和梳理，主要包括文本話語(yǔ)分析、題目測(cè)試、作品分析、圖示分析和行為分析等實(shí)證方法類型。表格中的計(jì)算思維關(guān)注點(diǎn)采用了Brennan和 Resnick關(guān)于計(jì)算思維的三維框架操作性定義，該定義實(shí)踐操作性強(qiáng)而且在教學(xué)中被廣泛應(yīng)用。在評(píng)價(jià)方式中，文本話語(yǔ)分析、題目測(cè)試能全面評(píng)價(jià)學(xué)生在計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐和計(jì)算觀念上的表現(xiàn)，評(píng)價(jià)相對(duì)較容易開(kāi)展。

文本話語(yǔ)分析是指從學(xué)生的語(yǔ)言和文字描述中發(fā)現(xiàn)學(xué)生的思維變化，主要通過(guò)訪談或有聲思維的形式開(kāi)展。該分析方法主要關(guān)注學(xué)生在計(jì)算概念和計(jì)算實(shí)踐兩個(gè)維度的變化，同時(shí)，在一定程度也能檢測(cè)學(xué)生計(jì)算觀念的變化。例如：Brennan和Resnick的研究，在基于項(xiàng)目的訪談中，訪問(wèn)者詢問(wèn)學(xué)生完成作品的過(guò)程信息（包括如何開(kāi)始，如何演進(jìn)，哪一步特別重要，遇到什么問(wèn)題，以及如何解決等）；在這一訪談過(guò)程中，訪問(wèn)者記錄學(xué)生闡述的各種關(guān)于作品的細(xì)節(jié)信息，包括計(jì)算概念（循環(huán)、并行、條件等）、計(jì)算實(shí)踐（實(shí)驗(yàn)、糾錯(cuò)、迭代等）和計(jì)算觀念（表達(dá)、提問(wèn)）等；然后，通過(guò)分析文本話語(yǔ)中的關(guān)鍵詞和細(xì)節(jié)就能發(fā)現(xiàn)學(xué)生在三個(gè)維度的變化。但這個(gè)訪談?shì)^為耗時(shí)，而且要求學(xué)生對(duì)于作品的完成過(guò)程有清晰的記憶；這對(duì)于低年級(jí)的學(xué)生會(huì)存在表達(dá)不清晰、答非所問(wèn)的情況，所以，在K-12階段使用訪談等文本話語(yǔ)分析，有一定的難度和一定的年級(jí)限制。

題目測(cè)試指采用選擇題和問(wèn)答題的方式，在課程教學(xué)的某個(gè)階段對(duì)學(xué)生進(jìn)行測(cè)試，分析結(jié)果能及時(shí)地反饋給教師和學(xué)生。目前，這種分析方式的使用頻率最高，操作便利，一定程度上可以兼顧學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程信息，但測(cè)試題目的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，需要根據(jù)一定的理論或評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)加以擬定。

Román-González等人所提出的計(jì)算思維測(cè)試題（Computational Thinking tests， CTt）從基礎(chǔ)心理能力（Primary Mental Abilities （PMA） Battery）和問(wèn)題解決能力（RP30 Problem-solving Test）兩方面，分析了CTt與計(jì)算思維的相關(guān)性，驗(yàn)證了CTt在評(píng)價(jià)計(jì)算思維上的有效性。CTt適用于12到14歲左右的學(xué)生，所有題目均采用選擇題的形式，題目設(shè)置采用可視化方式，在一定情境下檢測(cè)學(xué)生在計(jì)算概念和計(jì)算實(shí)踐上的變化情況。Aggarwal 等人基于布魯姆分類理論，提出了基于Kodu課程（Kodu Game Lab是一個(gè)基于“When-Do”的3D游戲建模平臺(tái)，https：//www.kodugamelab.com/）的前后測(cè)測(cè)試題，在每一個(gè)項(xiàng)目前后對(duì)學(xué)生進(jìn)行測(cè)試，分析學(xué)生在理解、識(shí)別、建構(gòu)某種設(shè)計(jì)模式上的差異。Chen等人基于CSTA對(duì)計(jì)算思維的定義設(shè)計(jì)了計(jì)算思維前后測(cè)測(cè)試，主要測(cè)試學(xué)生在實(shí)際情境和機(jī)器人編程之間，以及文本編程和可視化編程之間的能力遷移。

題目測(cè)試是一種較容易操作的評(píng)價(jià)方式，但目前的測(cè)試題主要是圍繞計(jì)算概念和計(jì)算實(shí)踐的選擇題，對(duì)于計(jì)算觀念的測(cè)試還較少；同時(shí)，題目測(cè)試需要大量的數(shù)據(jù)對(duì)題目進(jìn)行效度和信度的分析。

作品分析指從學(xué)生完成的作品中分析學(xué)生在各個(gè)模塊的表現(xiàn)情況，并以此為依據(jù)來(lái)診斷學(xué)生各方面能力的發(fā)展水平。該分析方法能反映學(xué)生在計(jì)算概念和計(jì)算實(shí)踐上的表現(xiàn)，但操作難度較大，除非有特定的分析工具支持。比如，Scrape（http：//happyanalyzing.com/），該分析工具可分析Scratch中代碼模塊（如，If....else代碼塊）的使用頻率。通過(guò)這種方式，就能清楚得知學(xué)生最常使用的代碼塊，由于每一個(gè)代碼塊都對(duì)應(yīng)著一定的計(jì)算概念，從而分析出該階段或該項(xiàng)目中，學(xué)生應(yīng)用了哪些計(jì)算概念。Brennan和Resnick利用Scrape分析了Scratch社區(qū)中作品（映射進(jìn)階學(xué)習(xí)者）的代碼塊使用頻率和初學(xué)者作品中的代碼塊使用頻率，兩者對(duì)比能區(qū)分出初學(xué)者和進(jìn)階學(xué)習(xí)者在計(jì)算概念上的不同。

美國(guó)科羅拉多大學(xué)的Koh等研究用計(jì)算思維模式（Computational Thinking Pattern，CTP）圖，來(lái)初步檢測(cè)計(jì)算思維能力的發(fā)展。CTP圖由九種計(jì)算思維模式按順時(shí)針排列組成，用以展示在給定游戲中應(yīng)用到的計(jì)算思維模式的數(shù)量和類型。CTP圖中的九種計(jì)算思維模式是基于AgentSheets項(xiàng)目提出的。學(xué)生將設(shè)計(jì)的游戲項(xiàng)目提交給可擴(kuò)展游戲設(shè)計(jì)廳（Scalable Game Design Arcade，SGDA）時(shí)會(huì)自動(dòng)生成CTP圖，教師可以將學(xué)生各個(gè)階段作品的計(jì)算思維模式呈現(xiàn)在一張CTP圖上。這樣，就可以通過(guò)CTP圖比較知識(shí)的轉(zhuǎn)移，也能更清楚地了解學(xué)生如何將新知識(shí)轉(zhuǎn)移到新情境中。但這種分析方法忽視了很多過(guò)程性信息，也只能檢測(cè)學(xué)生在計(jì)算概念上的表現(xiàn)，更深層次的計(jì)算實(shí)踐和計(jì)算觀念卻很難檢測(cè)到；而且如果使用其他可視化編程工具（如，App Inventor等），就沒(méi)有分析工具，只能采用人工記錄的方式，非常耗時(shí)。

圖示分析和行為分析以計(jì)算實(shí)踐的評(píng)價(jià)為主，這兩種評(píng)價(jià)方式主要關(guān)注學(xué)生的思維過(guò)程和行為表現(xiàn)，分析難度最大。圖示分析主要采用流程圖或偽代碼的方式，反映學(xué)生解決問(wèn)題的邏輯方案和思考路徑。比如，Chen等要求學(xué)生寫(xiě)出或畫(huà)出關(guān)于機(jī)器人畫(huà)三角形的功能代碼序列（類似偽代碼），然后對(duì)學(xué)生形成的代碼進(jìn)行分析，以發(fā)現(xiàn)學(xué)生教學(xué)前后在CSTA四個(gè)水平上的變化。雖然，流程圖或偽代碼以一種直觀的方式引導(dǎo)學(xué)生對(duì)其思維結(jié)果進(jìn)行整理和關(guān)聯(lián)，可清晰地呈現(xiàn)出學(xué)生關(guān)于問(wèn)題的解決思路，但同時(shí)也要求學(xué)生對(duì)偽代碼和流程圖有一定的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)，了解每一種符號(hào)代表的含義，這對(duì)于低年級(jí)學(xué)生來(lái)說(shuō)有一定難度。

行為分析是從學(xué)生的學(xué)習(xí)行為出發(fā)，分析學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中的問(wèn)題解決以及糾錯(cuò)、再利用過(guò)程，分析學(xué)生解決問(wèn)題的路徑，觀察學(xué)生對(duì)各個(gè)模塊的應(yīng)用，評(píng)估學(xué)生在計(jì)算概念和計(jì)算實(shí)踐上的表現(xiàn)。通過(guò)田野觀察的方式記錄學(xué)生的操作行為，需要在教學(xué)活動(dòng)過(guò)程中額外引入觀察人員，而隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)學(xué)生行為的記錄可以通過(guò)錄屏的方式實(shí)現(xiàn)。但這個(gè)方法要求盡可能多地記錄學(xué)生的行為細(xì)節(jié)，耗時(shí)且分析工作量比較大。Esteves等人采用人為觀察記錄的方式，記錄學(xué)生在虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)編程時(shí)與教師的互動(dòng)以及學(xué)生行為等信息，并形成報(bào)告揭示學(xué)生在虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)編程的學(xué)習(xí)效果。

五、總結(jié)及對(duì)我國(guó)的啟示

計(jì)算思維的培養(yǎng)主要是對(duì)人的思維完整性和邏輯性進(jìn)行訓(xùn)練，在此過(guò)程中，可以建立一種看待和處理問(wèn)題的新方式。隨著信息革命和智能化深入到每個(gè)領(lǐng)域，具備計(jì)算思維、利用計(jì)算的過(guò)程和方法來(lái)理解和解決專業(yè)領(lǐng)域的問(wèn)題，已毫無(wú)疑問(wèn)成為了現(xiàn)今社會(huì)人人必須具備的素養(yǎng)。計(jì)算思維的培養(yǎng)從K-12階段開(kāi)始已然成為教育相關(guān)領(lǐng)域的共識(shí)，對(duì)其的關(guān)注與討論也日趨熱烈，但相關(guān)的實(shí)踐還處于起步階段。

計(jì)算思維是什么？如何對(duì)現(xiàn)有的課程活動(dòng)加以修訂或拓展，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維的培養(yǎng)？在課堂上計(jì)算思維看起來(lái)是怎樣的？學(xué)生的哪些行為和技能可展現(xiàn)他們所發(fā)展的計(jì)算思維，又如何展開(kāi)評(píng)價(jià)？而教師若要開(kāi)展計(jì)算思維培養(yǎng)的實(shí)踐，需要具備哪些知識(shí)和能力？等等，這些問(wèn)題影響著計(jì)算思維培養(yǎng)在K-12階段的成功落地。Barr等認(rèn)為，至少需要兩方面的努力：一是通過(guò)教育政策和認(rèn)知的改變以克服課程架構(gòu)方面的障礙，比如，計(jì)算思維培養(yǎng)的核心任務(wù)是什么、與已有計(jì)算科學(xué)或信息技術(shù)課程的關(guān)系等；二是教學(xué)的開(kāi)展需要形成共同的認(rèn)知和標(biāo)準(zhǔn)，且還要有大量的資源和方法支持，尤其是適當(dāng)?shù)南嚓P(guān)案例和評(píng)價(jià)手段。

在我國(guó)，K-12階段以往單純由“信息素養(yǎng)”或“數(shù)字素養(yǎng)”觀念主導(dǎo)，以培養(yǎng)數(shù)字化工具應(yīng)用能力為主的信息技術(shù)教育，已越來(lái)越不適應(yīng)當(dāng)前國(guó)際在科技創(chuàng)新和科技人才培養(yǎng)上的發(fā)展新形勢(shì)，計(jì)算思維培養(yǎng)的重要性逐漸在教育各階層形成高度共識(shí)，而探索性的教學(xué)實(shí)踐也開(kāi)始不斷涌現(xiàn)（比如，郭守超等）。

2016年完成的《高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（修訂稿）》中明確指出，計(jì)算思維是學(xué)科的核心素養(yǎng)之一，并將計(jì)算思維納入培養(yǎng)計(jì)劃，這無(wú)疑標(biāo)志著對(duì)計(jì)算思維培養(yǎng)的關(guān)注度進(jìn)一步得到了提升。而在2017年國(guó)務(wù)院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中，要求逐步在中小學(xué)階段推廣編程教育，更是為計(jì)算思維的培養(yǎng)營(yíng)造了良好的發(fā)展大環(huán)境。雖然任友群等歸納總結(jié)出計(jì)算思維培養(yǎng)在中小學(xué)信息技術(shù)課程中落實(shí)的可行性路徑及與之一致的評(píng)估方法，謝忠新等、郁曉華等探討了在信息技術(shù)學(xué)科中培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的方法與策略，周明介紹了基于計(jì)算思維開(kāi)發(fā)編程教育校本教材的一些原則，但這些研究真正要落實(shí)到具體的實(shí)踐層面，還存在著較大的差距。

第一，必須認(rèn)識(shí)到計(jì)算思維培養(yǎng)最重要的目標(biāo)，在于思維的遷移和跨學(xué)科的應(yīng)用。鑒于我國(guó)計(jì)算思維的培養(yǎng)主要依賴于信息技術(shù)課程，很少關(guān)注跨學(xué)科的應(yīng)用，但計(jì)算思維作為一項(xiàng)基礎(chǔ)能力，需要在各領(lǐng)域的應(yīng)用中進(jìn)行檢驗(yàn)和強(qiáng)化。因此，應(yīng)從實(shí)踐層面增強(qiáng)思維培養(yǎng)的環(huán)境，而當(dāng)前的STEAM和創(chuàng)新教育就是一個(gè)很好的發(fā)展契機(jī)。

第二，必須認(rèn)識(shí)到計(jì)算思維培養(yǎng)最核心的任務(wù)，在于編程思維和解決問(wèn)題能力的訓(xùn)練。鑒于我國(guó)在教學(xué)實(shí)踐中還普遍以工具應(yīng)用的學(xué)習(xí)和操練為主，應(yīng)在認(rèn)知和方法層面都進(jìn)行較大的調(diào)整和轉(zhuǎn)變。而在培養(yǎng)過(guò)程中，還要有意識(shí)地與數(shù)學(xué)思維、算法思維和工程思維等思維的發(fā)展相關(guān)聯(lián)，彼此促進(jìn)以更好地增強(qiáng)計(jì)算思維的發(fā)展。針對(duì)此項(xiàng)新任務(wù)，師資的培訓(xùn)和相關(guān)資源的提供必不可少。

第三，必須認(rèn)識(shí)到計(jì)算思維培養(yǎng)最關(guān)鍵的工作，在于思維過(guò)程的呈現(xiàn)以及對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。鑒于以往我國(guó)相關(guān)的教學(xué)活動(dòng)比較多采用結(jié)果性的評(píng)價(jià)，手段較為單一，應(yīng)從課程工具和評(píng)價(jià)方法方面進(jìn)行加強(qiáng)。要建立科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)體系，以體現(xiàn)各年級(jí)計(jì)算思維發(fā)展的特點(diǎn)與差異；同時(shí)，圍繞不同的發(fā)展目標(biāo)，還需要指明適合的課程工具以及評(píng)價(jià)方法。

當(dāng)然，要想實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維培養(yǎng)在我國(guó)的普及，還存在諸多困難和挑戰(zhàn)。但不管怎樣，計(jì)算思維在K-12階段的落地已是全球化的必然發(fā)展趨勢(shì)，將深刻影響著一國(guó)未來(lái)的科技競(jìng)爭(zhēng)力和創(chuàng)新力。