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【摘要】数字技术与社会正在日益融合，我们需要开发一种课程，将下一代培养成为有创造力的问题解决者，让他们通过计算的镜头看世界。设计K-12课程是实现这一目标的一种途径，通过编程来促进学生的计算思维(CT：Computational Thinking)。为了便于CT课程的设计，本研究提出了该课程的预期学习效果。本研究的CT学习效果由CT知识、CT实践和CT视角组成。基于本文提出的CT学习成果和兴趣驱动创造者理论，本文旨在提出一个指导K-12 CT课程设计的七项原则框架。前三个原则通过编程环境让学生获取CT知识，以确保在课程中传授CT技能，培养学生的CT视角。其他四个原则是培养CT的设计策略：在课程的各个层次提供递增的复杂计算任务，以发展CT技能；通过制作最终项目样本来检查课程的各个层次，以确保CT知识的全面覆盖；设计学习者感兴趣的计算任务，培养兴趣驱动型创造者（IDC：Interest-driven Creator）；并为最后的项目建立适当的评价标准，学生需要展示他们的作品，以提高学习者的创造力。
【关键词】计算思维、兴趣驱动创造者理论、编程教育、课程设计、K-12教育
介绍
数字世界越来越需要创新者来解决各行各业的问题。为了培养下一代的创造力和解决问题的能力，使其与数字技术无缝结合，越来越有必要培养年轻人的计算思维。这就需要提高年轻人的信息交流能力。我们认为应该为K-12的学习者提供通过编程培养CT的机会。然而，现在通过编程在K-12教育中培养CT的研究还远远不够，因为对CT培养重要性的强调大多在高等教育中，而很少在中小学或K-12中。我们应该进行更多的研究，在K-12年级为CT发展设计适当的课程。本文以三年制课程为例，探讨了一种有助于促进K-12教育中CT发展的课程构建方法。
背景
兴趣驱动创新者理论
兴趣是理想的动力，因为它能激发有意义的学习，并为进一步学习提供动力。IDC认为，在技术的支持下，学习者沉浸在兴趣驱动的学习过程中，最终成为终身创新者。它提出了一个全面的发展框架来指导学习者培养学习兴趣、创造能力和学习习惯。这些都是IDC理论的核心概念，每一个都形成了一个三分量环。
兴趣循环由触发兴趣、沉浸于兴趣和扩展兴趣组成。为了激发学习者对某个话题的初步兴趣，必须通过有趣的活动来激发他们的好奇心。为了保持长期的兴趣，沉浸式的兴趣可以帮助学习者在学习过程中投入情感。最后，通过鼓励学习者沉浸在感兴趣的内容中，并在未来再次参与类似的活动，可以扩展学习者的领域兴趣。创新循环涉及模仿、组合和展示。学习者首先通过观察模仿他人的行为，然后结合他人的想法和作品形成新的观点。之后，他们可以通过与别人分享自己的新想法和新创作来创造和展示。按照IDC的理论，这是习惯循环的开始。整个过程从提示开始，提示可以触发一个人的行为，并通过重复逐渐成为习惯。形成新的习惯会给人一种满足感和成就感，这可能有助于“在未来重复新的行为”。
K-12计算思维课程的预期学习效果
为了指导K-12 CT课程的设计，必须明确CT课程的预期学习效果。CT涉及到问题解决、系统设计以及利用计算机科学的基础知识和技能对人类行为的理解。Brennan等构建的CT框架涵盖了CT的概念、实践和视角，由于其对CT的广泛覆盖，本文将其作为定义K-12 CT课程预期学习成果的基础(见表1)。
表1 Brennan和Resnick提出的计算思维框架
为了让学生用计算思维来解释世界，我们用CT框架的三维空间来解决现实世界问题。在CT知识的维度上，本研究不仅包含基本编程概念，也包含编程中的简单算法。本研究使用“CT知识”来代替“计算概念”，因为在本研究中，“知识”的含义更广泛，涵盖了编程环境中的事实、概念和程序。在CT实践维度，本研究还包括了算法思维技能，如确定问题、分析问题、找到解决问题的根本措施等。同时，它也被认为是CT的重要组成部分之一，这意味着在本研究的学习效果中，有必要将算法思维作为CT技能之一。在CT视角的维度上，计算身份和数字授权是本研究中预期的CT学习成果，因为在数字时代，要培养创造性问题解决者，这是实现该目标的重要属性。对学习者来说，在编程过程中体验表达、沟通和质疑是很重要的。有了这些经验，我们期望他们能建立一个计算身份，并实现数字授权。计算身份强调利用个人和自我表征的集体视角，通过网络和与其他小组成员在计算思维活动中分享知识经验。通过教育获得数字授权是使学习者成为数字社区中有影响力的成员的必然手段。
计算思维培养的课程设计框架
本研究提出了一个基于结果的中小学CT课程设计框架，为课程设计师提供了一套原则，在课程设计的时候可以有所侧重，并进行重点组织。本研究中，课程设计要以目标为出发点，即从学习者最终能收获的结果出发。在本研究中，编程课程的目标是在学习CT知识的过程中培养学习者的CT技能和视角，这构成了前3个设计原则。基于这些内容，本文提出了四种策略来构建计算机辅助教学的课程体系。首先，应该为学习者设计复杂的计算问题，并让他们使用自上而下的策略来解决。其次，在每个层次上全面覆盖CT知识，以产生有意义的最终项目，并在该层次上学习合理的CT知识。第三，在课程中融入兴趣驱动的学习活动，培养学生的创造力。最后，有必要安排适当的期末项目评价标准和期末项目展示，以激发学习者的创造力。由于培养CT是一个循序渐进的过程，需要很长一段时间，本研究以小学4-6年级等3年制课程为例，阐述了该框架。课程设计框架的细节将在下面的章节中讨论。
设计的基础是运用计算思维知识
课程设计人员进行CT知识教学时，选择任务和工具应遵循两个主要标准。首先，每个层次的任务和工具的复杂性应与学习者的能力相匹配。在第1级，应该为编程初学者选择基本的任务和工具。编写应用程序的基本任务涉及较少的模块和步骤。在第2级，任务和工具应该更加复杂，因为它要求学习者将他们之前学到的知识与第2级的新知识结合起来。在第3级，任务和工具应该包括通过移动应用程序的相互交流，这是活动设计中的一个关键元素，因为使用移动技术开发应用程序的价值在于促进交流。为了实现这一层次的目标，应该鼓励学习者设计可以与同龄人互动的应用程序。总而言之，课程设计人员在安排各个层次的内容时，应该不断增加任务和工具的复杂性，从而使每个层次的学习者能够很好的适应课程。这些学习任务和工具将为学习者体验越来越难的CT练习铺平道路。因此，随着学习者的成熟度的提高，也会发展他们的CT视角。
将计算思维技能作为设计的核心
学习CT知识并不是CT课程中编程活动的唯一目标。相反，它们是学习者开始学习CT技能的渠道，而CT技能是培养解决问题能力的核心。
通过学习活动，向学习者介绍五种CT技能。第一个是重用和重新混合代码的技巧。第二种是增量和迭代。这意味着想象和发展的重复循环。第三是抽象和模块化。通过引入抽象和模块化来设计活动来帮助学生面对和解决复杂性问题是至关重要的。第四是测试和调试。应该让学习者通过试验和错误、从其他活动中来发展预测和解决问题的策略。在CT实践中，学习者可以获得基本技能，同时在测试和调试的过程中，通过问题的表述、分解、概括、抽象以及找到可行的计算解决方案来培养解决问题的能力。
为了培养学习者的计算思维，可以采用一些CT技能的设计和教学策略。在课程设计策略方面，应在课程最低层次的学习任务中引入程序的使用。更高层次的学习活动应该足够复杂，以便学习者应用在解决问题的任务中相关的和必要的CT技能。在编程课上，教师明确指导学习者开展CT实践活动至关重要。学习者应该学会思考，而不是只在试错模式下编程。此外，在教师的指导下，学习者可以学习调试错误的程序，从而反思调试的价值——这是帮助解决计算问题的一项重要技能。
通过编程过程中的经验来培养计算思维视角
在教授CT知识和技能的过程中，CT课程应激励学习者反思自己与数字世界的关系。该CT框架采用了Brennan研究成果中的表达、沟通和提问，并提出了计算身份和数字授权两个视角。首先，表达是指学习者将计算视为一种媒介，通过编程和计算进行创作，从而能够自我表达。第二，沟通是学习者通过编程与他人一起或为他人创造的过程。与他人一起创造意味着学习者可能意识到自己与他人的合作可以通过合作、讨论和代码的重新混合而获得更多的成就。第三，提问是一种询问“理所当然”的问题的能力，在某些情况下，通过设计来回应这种询问，意味着学习者将被授权提出有关技术和使用技术的问题。
为了帮助学习者发展计算身份和数字授权，设计的学习任务应该使学习者能够为他人做出贡献并获得满足感。满足感和奖励不仅会增强他们对计算机社区的归属感，也会增强他们对自己是否有能力利用数字技术为社区甚至社会做出贡献的自我认知。
在活动设计中采用自上而下的策略，
来创造解决复杂计算问题的机会
复杂任务可以让学习者学会为任务收集信息，积极利用所学知识进一步探索、创造和构建自己的新知识。这可以通过课程策划者从高到低的层次设计活动来实现。根据高层次的任务内容，设计者可以回顾低水平的活动设计, 来看看如何将更简单的任务嵌入其中，以帮助学习者在解决更高层次的复杂任务时使用这些知识。这种设计策略能够首先帮助学习者建立基本的编程知识和CT技能，使他们能够重用和重新组合代码，并在处理更高级别的复杂任务时应用其他CT技能。这种策略也为学习者提供了跨层次练习CT技能的机会。
最终的项目样品作为一种策略，
以检查CT知识的覆盖范围
培养CT技能和视角的另一种策略是确保CT知识能够充分覆盖到各个层次的活动中。为了检查CT知识在每个层次的覆盖情况，设计者设计师可以要求负责每个层次教学的老师制作最终项目的样品。这些样品可以让课程设计者检查课程中是否遗漏了CT知识。需要注意的是，这些最终的样品不仅用于检查，也用于教师了解该水平的课程范围。我们不希望将最终样品展示给学习者，因为这会阻碍学习者对自己最终项目的创造力。
将兴趣驱动作为活动设计策略，
来培养兴趣驱动创造者
培养学习者CT技能和视角的第三个策略是通过兴趣驱动活动保持学习者对编程的兴趣。有四种方法可以激发和保持学习者的兴趣。首先，学习活动应该与时俱进，学习者将其视为是现代的。其次，活动的内容必须与学习者的日常生活相关，因此他们可能会更有兴趣参与学习活动。第三，需要收集学习者的意见，他们觉得什么是有意义的和有趣的，并将其纳入CT课程设计中。最后，对于学习者和教师来说，学习环境应该是放松的，这意味着不要急于推进课程或过于急于对学习者的表现进行评价。这些条件有助于建立一个兴趣驱动的学习环境，在这个环境中，可以激发、保持和扩展学习者的兴趣，培养他们的创造力。
使用评价标准和最终项目来培养创造力
第四个策略是通过设计适当的评价标准并给学习者提供机会，让他们在每个阶段课程结束时展示他们的期末项目来培养学习者的创造力。评价标准的设计应该基于课程的主要目标，即培养数字世界的创造者，重新思考数字技术社会所有领域的现有实践。创造力、敏感性、灵活性、创新思维可以作为判断学习者在制作最终项目时是否具有创造力的标准。学习者的创造力可以通过他们识别与日常生活和社区相关的计算问题的敏感性、他们使用数字技术寻找创新解决方案的灵活性以及解决方案的创新性来评估。这些创造性的标准可以引导和激励学习者成为具有创造性的数字技术问题解决者。
除了建立评价标准来激发学习者的创造力，展示期末项目也可以激发学习者的创造力。通过这个过程，学习者可以找到创新的方法来开发解决方案，让他们的应用程序受到欢迎。不断修改的过程有望进一步培养创造力。从长远来看，预计学习者将成为数字世界的创造者，并具有将社会各个领域的现有实践与数字技术相结合的潜力。
兴趣驱动创造者理论在课程设计中的应用
本课程框架的最终目标是在数字世界中培养有创造力的问题解决者。如第六原则所述，课程中兴趣驱动的活动设计是培养学习者创造力的关键。因此，将国际数据中心理论中的兴趣循环与创造循环联系起来，是本课程设计的一个重要方面。在三年课程中，课程内容分为三个层次，学习者的兴趣是活动设计的重点。应在最初阶段(即课程的第一级)培养它，并应维持和扩大到课程的其他两个层次。
图1 学校教育中CT培养的课程框架概述
激发学习者的兴趣，可以通过培养学习者的“流”状态来保持他们的学习兴趣。“流”状态是指“一种强烈的情感投入体验，完全为活动本身而投入”。这种状态使学习者能够完全投入到学习中去，因此他们有更大的潜力来进行有效的学习。为了使学习者能够在每一阶段结束时完成有意义的项目，学习者必须首先接触一系列CT知识，以便他们在学习活动中进行重新使用和混合。课程设计者不仅要设计引入CT任务和工具的活动，还要为学习者提供整合知识的机会。在每个层次上制作一个最终项目的阶梯为学习者提供了一个平台，以扩展他们在不同学习层次上的兴趣。
学习者通过完成最终项目深度参与编程学习，是连接兴趣循环和创作循环的桥梁。创造通常从模仿开始。学习者通过模仿老师和同学的编程实例来吸收和掌握CT知识，并创建自己的程序。这是创建循环组合的第二阶段。组合是创作过程的一个重要部分。虽然在更高层次的学习活动中，将已有的CT知识与新思想相结合的机会更多，但由于学习者掌握的CT知识有限，在较低层次的学习活动中可能会结合，但频率较低。创建循环的最后一个阶段是展示。阶段性意味着学习者能够通过与他人分享自己的编程成果来展示他们的CT知识和技能。展示是一个重要的过程，不仅因为它展示了学习者的计算能力和创造能力，而且当他们收到用户的反馈时，它也是一种评价和学习机会。学习者可以根据用户的建设性反馈不断改进自己的产品。这将促使学习者创新。
课程设计的四种策略总结
在讨论了IDC理论在课程设计中的应用后，可以总结后四个原则的作用。在后四个原则中策略的作用是将重点放在激发学习者参与学习活动中，从而完善课程的渐进结构，并重视CT技能的发展和活动设计，以培养学习者解决计算问题的创造力。因此，最基本的策略就是兴趣驱动的活动设计。在课程设计中，应将以兴趣为导向的学习活动的设计置于首要位置。另一个重要的策略是最后项目的评价标准。由于创造力是课程的基本学习成果，学习者期望通过最终的项目表现出创造力，因此建立创造力的评价标准在课程设计中变得至关重要。
在学习活动设计中充分考虑学习动机和以促进编程课程的创造力为目标，设计师需要在课程中推动CT的发展。CT技能被认为是培养CT的核心，学习者可以通过解决复杂的计算问题来练习并获得这些技能，最好在课程中设计一种自上而下的策略来进行——将先验知识嵌入到之前层次的课程活动中。最后，完成项目样品的策略可以很好地检查课程覆盖范围，确保学习者可以在每个级别结束时用他们在该级别学到的东西制作一个有意义的最终项目。
（来源：“百研工坊”微信公众号，编译：赵小慧 、研究生导师：柏毅 夏小俊、作者：Siu-Cheung Kong）
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原标题：《K-12教育中计算思维发展的课程设计框架》