張汶

如今，中小學(xué)計算機(jī)科學(xué)課程在美國得到越來越多的重視，計算思維、數(shù)字公民成為從聯(lián)邦、州和學(xué)校培養(yǎng)的重要目標(biāo)。筆者先后實地走訪了芝加哥203學(xué)區(qū)2所公立高中、芝加哥93學(xué)區(qū)的1所學(xué)校、芝加哥公立萊恩理工學(xué)院預(yù)科高中、芝加哥大學(xué)實驗學(xué)校、舊金山公立學(xué)區(qū)的2所高中，聽取了芝加哥公立學(xué)區(qū)computer science for all項目辦公室在課程推進(jìn)、教師培訓(xùn)方面的介紹，觀摩了5所高中計算機(jī)科學(xué)現(xiàn)場課堂教學(xué)，感受美國公立學(xué)校、特許學(xué)校、磁校、私立學(xué)校形態(tài)各異的計算機(jī)課程設(shè)置和課堂教學(xué)，并將此作為一個縮影，了解美國計算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)教育的一些實際情況。

● 生活化和專業(yè)化的學(xué)習(xí)空間布局

走進(jìn)美國高中計算機(jī)科學(xué)教室，筆者心里暗自贊嘆了教室的環(huán)境，與上海各學(xué)校計算機(jī)房中臺式機(jī)“矩陣”式排列相比，美國學(xué)校的計算機(jī)教室，像是一個工作坊，身處其中，首先感受到的是舒適。

計算機(jī)教室里計算機(jī)分成7個小組，以U形的方式環(huán)繞在教師周圍，每個小組4臺計算機(jī)，學(xué)生并未坐滿，大約只有23人左右。學(xué)生或正襟危坐，或蹲坐，或半躺，或以各種姿勢編寫或調(diào)試自己的代碼，學(xué)習(xí)狀態(tài)放松、自在，但又十分專注。

教師的工作計算機(jī)放置在教室中間，講授或演示的時候教師能環(huán)顧到所有學(xué)生。教室的一角，放置了幾張工作臺;教室中間或周圍，或放置著一組沙發(fā)，或散放著一些軟椅，無聲地暗示著這是一個令人放松、具有吸引力的生活化的地方。

教室的墻面利用率很高，一面墻上是兩個大屏幕投影，無論哪個角落的學(xué)生都可清楚地看到教師的演示，在另外兩面則有一些大面積的白板。墻上很難找到空白的地方，隨處可見一些便簽式提示或者標(biāo)語。例如，圖示計算思維的四個要素及其具體含義、圖示軟件開發(fā)的四個過程（理解、開發(fā)、回顧和反饋）、圖示編程的四個步驟（設(shè)計、編程、測試、調(diào)試）。教師還設(shè)計了用計算機(jī)編程語言呈現(xiàn)的趣味勵志標(biāo)語，定義了一個函數(shù)，寫道“這里有一些可能的學(xué)習(xí)機(jī)會，如果你有問題，就問老師”。

又如，墻面上貼著保護(hù)視力20-20-20原則的圖示，即每使用計算機(jī)20分鐘便休息一下，向20英尺（大約6米）以外的風(fēng)景（最好是綠色）遠(yuǎn)眺至少20秒。墻面上也貼著對學(xué)生遇到困難時的鼓勵（如下圖）。

教室是教育活動的核心場所，也是學(xué)生每日生活和學(xué)習(xí)時間最長的地方。教育學(xué)家Ralph W. Tyler認(rèn)為，“教室的物理格局是影響學(xué)生學(xué)習(xí)行為與態(tài)度的最具影響力的要素”，教室中的有形元素（桌椅、沙發(fā)）與無形元素（學(xué)習(xí)氛圍、教學(xué)秩序）對學(xué)生學(xué)習(xí)效果和教師教學(xué)態(tài)度具有雙重影響，認(rèn)知產(chǎn)生于一個包含大腦、身體和環(huán)境三大要素的自組織系統(tǒng)。

如果說孟子“勞其筋骨，餓其體膚”的古訓(xùn)在于告誡人們生于憂患的道理，那么這樣的學(xué)習(xí)空間則踐行了“學(xué)習(xí)者—學(xué)習(xí)環(huán)境”之“在場”關(guān)系，即物理環(huán)境（包括噪音、擁擠度、空氣質(zhì)量、溫度、建筑設(shè)計、個人空間）等對人的學(xué)習(xí)會產(chǎn)生積極或消極的影響，學(xué)習(xí)并非是“脖子以上的學(xué)習(xí)”，而是全身心參與的過程。計算機(jī)教室中令人舒適的氛圍、隨處可見的專業(yè)書籍、可獨(dú)立或合作學(xué)習(xí)的座位安排、隨處可見的學(xué)習(xí)提示、教師的微笑和熱情等，為學(xué)生全身心投入到學(xué)習(xí)中提供了支持。

● 個別指導(dǎo)是課堂最主要的教學(xué)環(huán)節(jié)

筆者與兩位上課的教師進(jìn)行了簡單的交流，學(xué)校的計算機(jī)科學(xué)課程采用了AP課程體系，課程共計開設(shè)三年，第一年是學(xué)習(xí)Python語言，第二年使用JAVA語言，第三年學(xué)習(xí)軟件工程，開展基于項目的學(xué)習(xí)。選擇計算機(jī)科學(xué)課程的學(xué)生約占學(xué)生總數(shù)的20%。學(xué)生表示，他們已經(jīng)學(xué)習(xí)了兩個月，每天一節(jié)課，至今已經(jīng)學(xué)習(xí)了40個課時。

教師均使用CANVAS系統(tǒng)，管理課程框架、教學(xué)日歷、學(xué)習(xí)資源、學(xué)生作業(yè)，學(xué)生可以非常方便地閱讀教師提供的學(xué)習(xí)資料，然后提交作業(yè)。值得一提的是，其中一位教師使用了在線的編程系統(tǒng)，學(xué)生編寫的代碼可以在線檢測是否正確，所有學(xué)生的練習(xí)情況以“T”或“F”的形式，實時呈現(xiàn)在教師端，給教師提供及時的學(xué)習(xí)反饋。

第一節(jié)課是Python語言，教學(xué)目標(biāo)是“能識別while loops循環(huán)結(jié)構(gòu)的要素組成，能編寫while loops循環(huán)”。教師先布置了一個小任務(wù)：閱讀一段代碼，并用不同的顏色標(biāo)識不同功能的語句，如紅色標(biāo)識“函數(shù)”綠色標(biāo)識“判斷條件”等。這是一個設(shè)計很精巧的課堂小練習(xí)，目標(biāo)是鍛煉學(xué)生辨析循環(huán)結(jié)構(gòu)的要素和組成結(jié)構(gòu)，而大部分學(xué)生能夠在很短的時間內(nèi)基本完成該練習(xí)。隨后，教師布置了新的練習(xí)題“crazy numbers”，并開始了個別指導(dǎo)，由于學(xué)生在編程和調(diào)試中的問題比較多，且大多需要不斷調(diào)試，所以教師安排了學(xué)生之間一對一的互助。其間，關(guān)于課堂練習(xí)教師還進(jìn)行了非常短暫的集中教學(xué)，用于分析大家遇到的問題。

第二節(jié)課是JAVA語言編程，學(xué)習(xí)的學(xué)生已有一年的學(xué)習(xí)經(jīng)驗，在編程方面顯然更加熟練。學(xué)生在visual studio code平臺上編寫和測試自己的程序。與Python語言的教學(xué)模式類似，教師布置練習(xí)后，學(xué)生開始編程和調(diào)試，教師在7個小組中往返巡視，一對一解答學(xué)生的問題，師生對話友好且有指導(dǎo)意義。教師也采用了兩位學(xué)生相互合作的方式，相互合作閱讀對方的程序，共同閱讀錯誤信息的提示，然后修改代碼并繼續(xù)調(diào)試。

上述兩位教師的教學(xué)和指導(dǎo)，體現(xiàn)出較好的計算機(jī)科學(xué)的專業(yè)素養(yǎng)，大部分學(xué)生的問題能得到及時的解決，一些學(xué)生遇到的問題，靠學(xué)生之間的相互協(xié)作和指導(dǎo)，也有所優(yōu)化和改進(jìn)。

另外，美國的課堂教學(xué)十分重視個性化教學(xué)，而個性化教學(xué)得以順利開展，離不開兩個要素：一是學(xué)習(xí)空間的設(shè)置，無論是計算機(jī)教室，還是學(xué)校其他場所的學(xué)習(xí)空間，如實驗室、走廊、圖書館等，均將學(xué)習(xí)設(shè)備、學(xué)習(xí)資源及教師講授的區(qū)域做了合理安排，座位安排適合小組合作，各小組以環(huán)形方式圍繞教師辦公桌，支持教師巡視和師生交互。二是資源獲取的便捷性，學(xué)生可隨時使用筆記本電腦訪問學(xué)習(xí)管理平臺。教師在Canvas或谷歌教室等平臺上建設(shè)課程計劃，上傳教學(xué)計劃、任務(wù)安排、學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)范例、評價要求等十分完整的資料，且綱目清晰，查找方便，學(xué)生可通過平臺了解整個學(xué)期每個學(xué)科的教學(xué)進(jìn)度和安排，有利于學(xué)生自我管理和利用資料開展學(xué)習(xí)與研究。

● 思考與啟示

1.兼顧教育公平需要良好的社會支持

（1）公立學(xué)區(qū)重視對基礎(chǔ)學(xué)習(xí)要求給予保障

芝加哥公立學(xué)區(qū)（CPS）為了推進(jìn)計算機(jī)科學(xué)課程，開展了 CS4ALL（為了每一個孩子的計算機(jī)科學(xué)）項目，項目辦公室采取了一些措施，如從2016年開始將計算機(jī)科學(xué)列為必修課。這從制度上為芝加哥公立學(xué)校普及計算機(jī)科學(xué)教育提供了保障。此外，開發(fā)了《探索計算機(jī)科學(xué)》（ECS）課程教材。最后，由于計算機(jī)科學(xué)課程剛開始實施，學(xué)校缺乏具有計算機(jī)專業(yè)背景的教師來承擔(dān)這門課程的教學(xué)，CS4ALL開展了教師專題培訓(xùn)項目，鼓勵其他學(xué)科的教師報名參加，通過此項培訓(xùn)的教師才能擔(dān)任課程教學(xué)任務(wù)。

從時間上看，這比上海開設(shè)高中信息科技必修課程整整晚了20年，從師資上看，芝加哥公立學(xué)區(qū)計算機(jī)科學(xué)的教師專業(yè)化培訓(xùn)還剛起步。觀摩計算機(jī)教師培訓(xùn)的現(xiàn)場，由于培訓(xùn)對象是零基礎(chǔ)，他們是歷史等非計算機(jī)專業(yè)的教師，所以培訓(xùn)內(nèi)容非常簡單，如把兩片面包中間夾上果醬做一個三明治，教師把過程一一羅列下來，這是對程序概念的初步理解。這樣的教師專業(yè)化培訓(xùn)，一方面令人敬佩，因為它在培訓(xùn)課程設(shè)計的生動性和參與性方面值得借鑒，另一方面也令人擔(dān)心，那就是缺少專業(yè)教育背景的教師能否勝任專業(yè)的計算機(jī)科學(xué)課程教學(xué)？

（2）私立學(xué)校注重為學(xué)生個性化發(fā)展提供條件

在私立學(xué)校、磁?；虿糠謱W(xué)區(qū)，計算機(jī)科學(xué)課程在師資、課程、資源、設(shè)備等方面都有明顯的優(yōu)勢。例如，芝加哥大學(xué)實驗學(xué)校的計算機(jī)科學(xué)課程，除了修習(xí)AP課程以外，還提供了大量選修課程，如機(jī)器學(xué)習(xí)、計算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)、人工智能、高級語言編程、軟件工程等。學(xué)生不僅可以在學(xué)校里進(jìn)行學(xué)習(xí)，還可以到大學(xué)實驗室開展學(xué)習(xí)。又如，萊恩理工學(xué)院預(yù)科高中（Lane Tech College Preparatory High School）是伊利諾伊州一所公立磁校，學(xué)校計算機(jī)科學(xué)課程負(fù)責(zé)人詳細(xì)介紹了萊恩高中計算機(jī)科學(xué)課程的設(shè)置情況，目前學(xué)校有18位計算機(jī)科學(xué)教師，有的教師有豐富的行業(yè)工作經(jīng)驗。學(xué)校共開設(shè)了13門計算機(jī)課程，這一方面為學(xué)生掌握計算機(jī)科學(xué)知識打下了廣泛而扎實的基礎(chǔ)，另一方面為學(xué)生提供了豐富的個性化選擇機(jī)會。學(xué)校設(shè)計了計算機(jī)科學(xué)課程的“圖譜”，并用實線和虛線表示課程之間的關(guān)系，清晰地表達(dá)學(xué)習(xí)的“路徑”。計算機(jī)課程共分四類課程：廣度大于深度的基礎(chǔ)課程、需要創(chuàng)造出物理產(chǎn)品的課程、需要創(chuàng)造出數(shù)字產(chǎn)品的課程、需要計算機(jī)科學(xué)和商業(yè)化結(jié)合的課程。這四類課程中每類課程都會按難易（0～3）程度標(biāo)識為不同級別，它們之間有一定的關(guān)聯(lián)性，但不是特別強(qiáng)相關(guān)。例如，學(xué)生A想學(xué)“Android Apps（安卓應(yīng)用）”課程，前提條件為“Prog I or AP CS A”，即必須先學(xué)習(xí)課程“Programming I”或者先學(xué)習(xí)課程“AP Computer Science A”。

（3）社會機(jī)構(gòu)提供對弱勢群體的服務(wù)

社會各界對中小學(xué)計算機(jī)科學(xué)課程的支持力度很大，成為推動教育的中堅力量，美國不僅有“編程一小時”活動，正在執(zhí)行的還有“一百萬計劃”，目前已經(jīng)成為獨(dú)立法人的“一百萬”計劃基金會，旨在為100萬名低收入水平家庭的孩子提供計算機(jī)硬件和網(wǎng)絡(luò)，提高貧困家庭孩子成功的可能性，從而實現(xiàn)真正的機(jī)會均等。這項計劃也吸引了美國大學(xué)委員會、可汗學(xué)院與之進(jìn)行項目結(jié)盟，這些組織會根據(jù)參與“一百萬計劃”的孩子的表現(xiàn)，為他們提供更多資助。

2.要在實踐中進(jìn)一步思考教學(xué)方法的有效性

美國計算機(jī)科學(xué)課堂，學(xué)生參與度比較高，也由于課堂布置的學(xué)習(xí)任務(wù)有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，學(xué)生忙于編寫代碼和調(diào)試。但是這樣的教學(xué)依然帶來一些困惑。

（1）為何要學(xué)習(xí)新知，新知學(xué)習(xí)的必要性在哪里

文中談到的兩節(jié)課均為新授課，但是從實際教學(xué)的時間分配看，學(xué)生的課堂時間均在完成新的任務(wù)。如何思考新知識的價值？例如，新的知識是循環(huán)結(jié)構(gòu)中嵌套分支（在while結(jié)構(gòu)中嵌套if語句），教師通過布置任務(wù)，驅(qū)動學(xué)生應(yīng)用這樣的知識。然而，這樣的結(jié)構(gòu)從何而來？為何單純的循環(huán)結(jié)構(gòu)不能解決問題？為何一定要循環(huán)嵌套分支才能解決？分支嵌套分支為何不行？這樣的結(jié)構(gòu)還能解決什么問題？還有哪些可能的嵌套方式？似乎學(xué)生沒有思考過，也未得到相關(guān)的啟發(fā)。如果只是告訴學(xué)生使用循環(huán)嵌套分支的結(jié)構(gòu)解決這個特定的問題，那么學(xué)生什么時候能有機(jī)會自主選擇？

（2）如何領(lǐng)悟新知識的價值

教師布置了學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生編寫程序完成任務(wù)，但是程序本身似乎僅僅為了練習(xí)技能。例如，用循環(huán)嵌套分支的結(jié)構(gòu)，編寫了一個分段函數(shù)，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)介于某區(qū)間時，對數(shù)據(jù)進(jìn)行平方操作，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)介于另外一個區(qū)間時，對數(shù)據(jù)進(jìn)行另外一個數(shù)學(xué)運(yùn)算，該程序的意義在哪里？如果把任務(wù)與真實生活聯(lián)系起來，如自動售貨機(jī)、車庫自動收費(fèi)等軟件和硬件，背后都有這樣的基本結(jié)構(gòu)，循環(huán)嵌套分支結(jié)構(gòu)是非?；A(chǔ)的一種結(jié)構(gòu)，可以在此基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行疊加，從而解決非常復(fù)雜的問題，完成這樣的任務(wù)，對理解新知識的價值是否會更深刻？

（3）陡峭的學(xué)習(xí)曲線是不是大量個別輔導(dǎo)的成因

盡管學(xué)習(xí)的挑戰(zhàn)性非常重要，但是無疑學(xué)習(xí)也需要支架，循序漸進(jìn)地推進(jìn)教學(xué)是一種基本的共識。盡管“漸進(jìn)”步伐的大小因人而異，“循序”的安排可以有所不同，但是如何把知識學(xué)習(xí)與學(xué)生認(rèn)知的步伐同步，是教學(xué)設(shè)計需要考慮的問題。筆者在觀察課堂教學(xué)的過程中發(fā)現(xiàn)，教師從引入新知到開始解決新的問題，這個過程比較快，可以說，學(xué)習(xí)曲線比較陡峭。學(xué)生一旦上手做，就出現(xiàn)各種各樣的問題，答疑和輔導(dǎo)幾乎占據(jù)了所有的教學(xué)時間。設(shè)想一下，如果將學(xué)習(xí)曲線設(shè)計得更為平緩，先引入新知，然后模仿運(yùn)用、遷移提升，最后再去解決問題，最終學(xué)生問題解決的質(zhì)量、計算思維的培養(yǎng)是否更好？試錯是有價值的，但是否所有的試錯都有價值？如果可以找準(zhǔn)學(xué)生的普遍問題，如循環(huán)語句的“條件”與判斷語句的“條件”在學(xué)生普遍混淆的情況下，啟發(fā)性地指導(dǎo)一下，恍然大悟的喜悅是否也更能增進(jìn)學(xué)習(xí)的愉悅？如果指導(dǎo)學(xué)生使用變量跟蹤的方法，思考程序的錯誤支出，“授人以漁”能否讓學(xué)生更迅捷地解決問題？

短暫的美國高中課堂教學(xué)觀察，只能是管中窺豹，很難說能從中得到完整的判斷，亦不能急于得到確定的結(jié)論。但是，美國高中課堂教學(xué)的學(xué)習(xí)空間創(chuàng)設(shè)、教師對每一位學(xué)生問題的解答和指導(dǎo)、教師設(shè)計課程與課程資源良好的規(guī)劃性，值得每一位計算機(jī)科學(xué)教師學(xué)習(xí)。