錢松嶺　董玉琦

2003年10月,美國計(jì)算機(jī)協(xié)會(Association for Computing Machinery ACM)課程委員會專職小組完成了他們的最終報(bào)告,提出了一個系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)科學(xué)課程模型,為美國中小學(xué)學(xué)生能連貫地學(xué)習(xí)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)科學(xué)課程提供了一套解決方案。2006年又進(jìn)行了第二版的修訂。本文重點(diǎn)闡述該課程模型的研制背景與目的、設(shè)計(jì)原則、內(nèi)容與學(xué)習(xí)目標(biāo)以及實(shí)施策略等。作為信息技術(shù)課程研究者,關(guān)注美國計(jì)算機(jī)科學(xué)課程的發(fā)展,將對我國的中小學(xué)信息技術(shù)課程發(fā)展提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)與啟示。

● 課程模型的研制背景與目的

在美國,國家層面上的計(jì)算機(jī)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)是不存在的。一些州立標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)立設(shè)置“信息技術(shù)”,并將它作為一個學(xué)科領(lǐng)域(如亞利桑那州使用的國家教育技術(shù)標(biāo)準(zhǔn))。還有一些州將其整合于其他的科學(xué)課程領(lǐng)域(如緬因州的“學(xué)習(xí)”目標(biāo))。鑒于此領(lǐng)域課程發(fā)展的實(shí)際情況,“計(jì)算機(jī)協(xié)會K-12階段計(jì)算機(jī)科學(xué)課程模型”(以下簡稱課程模型)的研制主要是為當(dāng)前已有的計(jì)算機(jī)科學(xué)或信息技術(shù)課程作一個補(bǔ)充,特別是對計(jì)算機(jī)科學(xué)AP(Advanced Placement大學(xué)預(yù)科)課程以及NETS(國家教育技術(shù)標(biāo)準(zhǔn))課程的補(bǔ)充。

該課程模型得到了來自許多教師、研究人員以及專業(yè)研究機(jī)構(gòu)的反饋意見,并且此報(bào)告在國際教育技術(shù)協(xié)會的國家教育計(jì)算機(jī)會議和計(jì)算機(jī)協(xié)會計(jì)算機(jī)科學(xué)教育特別興趣小組的研討會上進(jìn)行了交流。

● 課程模型的課程目標(biāo)

作為課程模型的基礎(chǔ)概念,計(jì)算機(jī)科學(xué)定義為:“計(jì)算機(jī)科學(xué)(CS)是計(jì)算機(jī)和算法過程的學(xué)習(xí),它包括其中的原理、硬件及軟件設(shè)計(jì)、應(yīng)用軟件及其對社會的影響。”計(jì)算機(jī)科學(xué)課程包括:編程、硬件設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)、圖形、數(shù)據(jù)庫與信息搜索、計(jì)算機(jī)安全、軟件設(shè)計(jì)等。

課程模型提出,K-12階段計(jì)算機(jī)課程的目標(biāo)是:①從小學(xué)開始向所有學(xué)生介紹計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念;②在高中階段開設(shè)計(jì)算機(jī)科學(xué)課程并占課程的學(xué)分(如得到數(shù)學(xué)或科學(xué)課程的學(xué)分);③在高中階段為學(xué)生提供額外的計(jì)算機(jī)課程,引起學(xué)生興趣并能進(jìn)一步深入學(xué)習(xí),為他們在將來的工作或大學(xué)的學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備;④促進(jìn)全體學(xué)生計(jì)算機(jī)科學(xué)知識的增長,特別是那些占學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)課程比例較小的群體。

● 課程模型的設(shè)計(jì)原則

課程模型是基于這樣的認(rèn)識進(jìn)行設(shè)計(jì)的,即計(jì)算機(jī)科學(xué)的學(xué)習(xí)以及將它確定為一門課程是可能的,計(jì)算機(jī)科學(xué)是一門科學(xué)。課程模型遵循以下十個原則:①強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)背后的科學(xué)原理;②讓學(xué)生熟悉包括抽象性、復(fù)雜性、模塊化和可重用性等重要原理;③強(qiáng)調(diào)問題解決方法和批判性思維的技巧;④幫助學(xué)生發(fā)展獨(dú)立于技術(shù)之外的廣泛認(rèn)知能力與使用技巧;⑤是一個全面的課程,足以為學(xué)生提供廣泛的領(lǐng)域陳述學(xué)科歷史,以使他們更好地理解如何使用計(jì)算機(jī)來解決實(shí)際問題的(它能參與解決各個領(lǐng)域的問題包括設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)、圖形、數(shù)據(jù)庫和信息檢索、計(jì)算機(jī)安全、軟件設(shè)計(jì)、程序語言、邏輯、編程模式、人工智能、信息技術(shù)應(yīng)用、信息系統(tǒng)和社會問題等);⑥明確設(shè)計(jì)和分析過程,以使學(xué)生對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及過程中涉及的設(shè)計(jì)、開發(fā)和維護(hù)有所了解;⑦通過一系列的課程促使學(xué)生學(xué)習(xí)與接受新思想、新概念與新技巧,課程需給出與年齡相適應(yīng)的學(xué)習(xí)目標(biāo);⑧不論性別和種族,學(xué)習(xí)內(nèi)容應(yīng)以能讓所有學(xué)生參與的方式進(jìn)行教學(xué);⑨將概念性的和實(shí)驗(yàn)性的問題相結(jié)合,以使學(xué)生了解學(xué)科的理論基礎(chǔ)及其對實(shí)踐的影響;⑩了解計(jì)算機(jī)科學(xué)與計(jì)算機(jī)素養(yǎng)(教給學(xué)生如何使用各種軟件而不是在教計(jì)算機(jī)科學(xué))的不同。

● 課程模型各級的具體內(nèi)容與目標(biāo)

課程模型包括四個級別的課程,希望所有的學(xué)生應(yīng)至少完成前兩個級別。四個級別如圖所示。

★水平1“計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)”。這一水平的學(xué)習(xí)目標(biāo)根據(jù)國家教育技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(美國國際教育技術(shù)協(xié)會ISTE,2002)制定的,這部分主要是信息技術(shù)的內(nèi)容,特別強(qiáng)調(diào)技術(shù)對其他學(xué)科的支持。另外還包括更多與問題解決和算法思維有關(guān)的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

課程模型按照美國國家教育技術(shù)學(xué)生標(biāo)準(zhǔn)的模式又將水平1分為K-2年級、K-3至K-5年級、K-6至K-8年級,并在此基礎(chǔ)上增加了算法思維以及計(jì)算機(jī)科學(xué)的其他基礎(chǔ)知識。

★水平2“現(xiàn)代世界中的計(jì)算機(jī)科學(xué)”。本水平目的是把它作為所有高中學(xué)生的第一個計(jì)算機(jī)科學(xué)課程,它提供了關(guān)于本學(xué)科的廣泛介紹,使學(xué)生為未來的技術(shù)世界做好準(zhǔn)備。概念上的內(nèi)容包括對操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、問題解決、編程、職業(yè)規(guī)劃和計(jì)算機(jī)倫理問題有一個基本了解。學(xué)時設(shè)計(jì)為一年。

學(xué)生應(yīng)該獲得以下主題的概念理解:①計(jì)算機(jī)組織的原理與主要內(nèi)容(輸入、輸出、內(nèi)存、存儲、處理過程、軟件、操作系統(tǒng)等);②算法解決問題的基本步驟(問題描述與探索、實(shí)例檢測、設(shè)計(jì)、編程、檢測與驗(yàn)證);③計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本內(nèi)容(服務(wù)器、文件保護(hù)、路由協(xié)議連接/通訊、Spoolers和隊(duì)列、共享資源、錯誤兼容);④因特網(wǎng)要素組織、網(wǎng)頁設(shè)計(jì)(表格、文本、圖形、客戶和服務(wù)器端腳本)和超媒體(鏈接、導(dǎo)航、搜索引擎和策略、解釋和評價(jià));⑤層次的概念和計(jì)算中的抽象概念,包括高級語言,翻譯(編譯、鏈接)、機(jī)器語言、指令集和邏輯電路;⑥數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)之間聯(lián)系的要素,包括二進(jìn)制數(shù)字、邏輯、集、功能;⑦作為智能行為模型(如機(jī)器人運(yùn)動,言語和語言的理解、計(jì)算機(jī)視覺)的計(jì)算機(jī)概念以及人類與機(jī)器的區(qū)別;⑧在廣泛的跨學(xué)科領(lǐng)域使用計(jì)算機(jī)與現(xiàn)實(shí)世界中算法解決問題的實(shí)例(如電話應(yīng)答系統(tǒng)的編程);⑨與計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的倫理問題(包括安全、隱私、知識產(chǎn)權(quán)、公眾領(lǐng)域中軟件的優(yōu)勢與劣勢以及因特網(wǎng)上信息的可靠性)以及科技對人類文化的積極與消極影響;⑩分辨計(jì)算機(jī)相關(guān)的行業(yè)與本門學(xué)科的課程學(xué)習(xí)的不同(如信息技術(shù)專家、網(wǎng)頁設(shè)計(jì)者、系統(tǒng)分析家、編程人員、首席信息官)。還包括算法、編程和網(wǎng)頁設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)室的課程。算法設(shè)計(jì)與編程包括如下內(nèi)容:變量、數(shù)據(jù)類型和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)代碼;通過自上而下的對象優(yōu)先教學(xué)法管理復(fù)雜性;程序和參數(shù);序列、條件和循環(huán)(重復(fù));表達(dá)設(shè)計(jì)的工具(流程圖、偽代碼,基于UML,N-S圖表)。

★水平3“作為分析與設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)科學(xué)”。是AP(Advanced Placement高級進(jìn)階,大學(xué)預(yù)備課程)考試的預(yù)備課程,它的重點(diǎn)是科學(xué)和工程學(xué)原理。這門課程旨在為有意在大學(xué)階段計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程學(xué)或過程技術(shù)學(xué)尋求更多高級研究的學(xué)生設(shè)計(jì),使學(xué)生理解計(jì)算機(jī)科學(xué)與數(shù)學(xué)、科學(xué)課程的一些聯(lián)系,并使用編程與設(shè)計(jì)知識解決實(shí)際問題。為一年的學(xué)分課程。

完成此水平的學(xué)習(xí)后,學(xué)生應(yīng)理解下列主題的工作原理:①編程設(shè)計(jì)與問題解決過程的基本思想,包括風(fēng)格、抽象、把正確性與有效性的討論作為軟件設(shè)計(jì)過程的一部分;②簡單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其使用;③離散數(shù)學(xué)的主題:邏輯、功能、集及其與計(jì)算機(jī)科學(xué)的聯(lián)系;④有用性設(shè)計(jì):網(wǎng)頁設(shè)計(jì)、互動游戲、文本等;⑤硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ);⑥語言、軟件和編譯的水平:編輯者的特點(diǎn),操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò);⑦計(jì)算機(jī)的局限性:什么是計(jì)算機(jī)的“硬傷”(如海洋模擬、空中交通指揮、基因地圖),什么類型的問題是計(jì)算機(jī)無法解決的(如死機(jī)問題);⑧軟件工程的原理:軟件項(xiàng)目、小組、軟件生命循環(huán);⑨社會問題:軟件是知識產(chǎn)權(quán)、專業(yè)實(shí)踐;⑩計(jì)算機(jī)相關(guān)行業(yè):計(jì)算機(jī)科學(xué)家,計(jì)算機(jī)工程師、軟件工程師,信息技術(shù)專家,還包括編程、設(shè)計(jì)與其他活動的課程。

在此課程中可以介紹包括編程項(xiàng)目中的軟件與硬件工程的主題:硬件與系統(tǒng)(邏輯、門與循環(huán)、二進(jìn)制算術(shù)、機(jī)械與匯編語言、操作系統(tǒng)、用戶接口、編譯器)。軟件工程(要求、設(shè)計(jì)、團(tuán)隊(duì)、測試與維護(hù));軟件工程的社會問題(計(jì)算機(jī)的局限性、語言級別、計(jì)算機(jī)行業(yè))。

★水平4課程是一個特殊的課程,讓學(xué)生把重點(diǎn)放在他們特別感興趣的特殊計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。“它的目的是涵蓋范圍廣泛的專門課程,包括AP課程、項(xiàng)目課程和可以取得行業(yè)認(rèn)證的課程。”

美國的許多高中都為打算在大學(xué)繼續(xù)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)或相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)生開設(shè)計(jì)算機(jī)科學(xué)AP課程。學(xué)生在學(xué)完水平2以后,就可以繼續(xù)水平4的學(xué)習(xí)。水平4當(dāng)中一些編程的概念內(nèi)容與水平3中的是重復(fù)的。所以,對于完成水平3的學(xué)生,AP課程可以作為一種復(fù)習(xí)。此部分課程就是為了讓學(xué)生通過AP課程的考試,為將來深入的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。有兩部分:A課程強(qiáng)調(diào)問題解決與算法開發(fā),介紹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識,成績優(yōu)秀者可以獲得大學(xué)一學(xué)期的學(xué)分;AB課程擴(kuò)展A課程的基礎(chǔ)知識,包括大量的遞歸算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)。

項(xiàng)目課程適用于所有完成水平1和2學(xué)習(xí)的學(xué)生,是半年或一年的課程。項(xiàng)目課程可以隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息技術(shù)的變化來做與時俱進(jìn)的調(diào)整,來滿足學(xué)生多樣的需求,促進(jìn)他們發(fā)展應(yīng)用技術(shù)的職業(yè)技能。項(xiàng)目課程涉及面廣,如演示、多媒體、圖形、網(wǎng)頁開發(fā)與制作等。

行業(yè)認(rèn)證的課程主要面向打算在職業(yè)學(xué)?；?qū)W習(xí)兩年AAS(Associate in Applied Science應(yīng)用科學(xué)準(zhǔn)學(xué)士)課程的學(xué)生,也要求學(xué)生完成水平1和水平2的學(xué)習(xí)。行業(yè)認(rèn)證為那些沒有工作經(jīng)驗(yàn)的打算從事此方面工作的學(xué)生提供一個標(biāo)準(zhǔn),并參加相應(yīng)考試。例如,A+Certified Technician(計(jì)算機(jī)服務(wù)技師:入門級的行業(yè)認(rèn)證,具備相當(dāng)于半年工作經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)服務(wù)知識與技能);Certified Internet Webmaster (CIW)(具備IT行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)踐能力,熟悉領(lǐng)先的硬件與軟件技術(shù)的人員);i-Net+(具備與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)職業(yè)的技術(shù)知識)。

● 課程模型推薦的實(shí)施策略

“課程模型”只是提出了一個模型,并沒有相應(yīng)的教學(xué)資料、教學(xué)計(jì)劃、訓(xùn)練有素的師資和具體可以執(zhí)行的預(yù)算。但它也提出了相應(yīng)的課程實(shí)施主要策略。

1.取得廣泛支持:實(shí)施當(dāng)中應(yīng)使各個方面的人員都成為利益相關(guān)者,如計(jì)算機(jī)協(xié)會(ACM)、課程發(fā)展與監(jiān)督協(xié)會(ASCD)和國際教育技術(shù)協(xié)會(ISTE)這樣的專業(yè)機(jī)構(gòu)。學(xué)區(qū)、州、國家教育行政部門的人員等。

2.鼓勵課程開發(fā):像國際科學(xué)基金委員會(NSF)這樣的資助機(jī)構(gòu)應(yīng)幫助一線教師以及其他計(jì)算機(jī)科學(xué)教育人員按照本“課程模型”的思想開發(fā)課程,同時鼓勵出版商投資這些項(xiàng)目,更好地將教學(xué)資源進(jìn)行推廣。

3.建立專業(yè)機(jī)構(gòu):建立K-12計(jì)算機(jī)科學(xué)教師專業(yè)團(tuán)體,促進(jìn)地區(qū)間教師的合作與交流,并為地方教師提供專業(yè)引領(lǐng)。

4.文化價(jià)值認(rèn)同:許多中小學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)教師感到孤立與無助,一些學(xué)校常常對課程變化反應(yīng)遲鈍的態(tài)度,沒有充分的教育設(shè)備、資源,不被數(shù)學(xué)與科學(xué)教師接受。各州缺乏課程標(biāo)準(zhǔn),缺乏職前、職后教育培訓(xùn),預(yù)算縮減等眾多因素綜合在一起造成了這樣的局面。如果計(jì)算機(jī)科學(xué)會變成基礎(chǔ)教育主流文化當(dāng)中有意義的一部分,那么上述的各種情況一定會有所改變。

5.積極宣傳推廣課程:宣傳推廣課程是實(shí)施的第一關(guān)鍵。學(xué)區(qū)、地方乃至國家層面的研討會進(jìn)一步促進(jìn)課程實(shí)施,使人們認(rèn)識到計(jì)算機(jī)科學(xué)在基礎(chǔ)教育中有必要作為一門獨(dú)立學(xué)科。

6.教師專業(yè)發(fā)展課程:除了課程推廣與開發(fā),為課程發(fā)展提供持續(xù)的支持才能保持計(jì)算機(jī)科學(xué)教育長期的發(fā)展。例如,一個完善的教師教學(xué)資格認(rèn)證體系是課程實(shí)施的重要保障,但建立這個體系是個極其復(fù)雜的過程,這需要國家教育部門、社會專業(yè)團(tuán)體、大學(xué)等部門以及教師的通力合作。