張汶

如今，中小學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)課程在美國(guó)得到越來(lái)越多的重視，計(jì)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(shí)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(shí)驗(yàn)學(xué)校、舊金山公立學(xué)區(qū)的2所高中，聽(tīng)取了芝加哥公立學(xué)區(qū)computer science for all項(xiàng)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(jì)算機(jī)科學(xué)現(xiàn)場(chǎng)課堂教學(xué)，感受美國(guó)公立學(xué)校、特許學(xué)校、磁校、私立學(xué)校形態(tài)各異的計(jì)算機(jī)課程設(shè)置和課堂教學(xué)，并將此作為一個(gè)縮影，了解美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)教育的一些實(shí)際情況。

● 生活化和專(zhuān)業(yè)化的學(xué)習(xí)空間布局

走進(jìn)美國(guó)高中計(jì)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(jì)算機(jī)房中臺(tái)式機(jī)“矩陣”式排列相比，美國(guó)學(xué)校的計(jì)算機(jī)教室，像是一個(gè)工作坊，身處其中，首先感受到的是舒適。

計(jì)算機(jī)教室里計(jì)算機(jī)分成7個(gè)小組，以U形的方式環(huán)繞在教師周?chē)總€(gè)小組4臺(tái)計(jì)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(shì)編寫(xiě)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(zhuān)注。

教師的工作計(jì)算機(jī)放置在教室中間，講授或演示的時(shí)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(tái);教室中間或周?chē)蚍胖弥唤M沙發(fā)，或散放著一些軟椅，無(wú)聲地暗示著這是一個(gè)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(gè)大屏幕投影，無(wú)論哪個(gè)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(jiàn)一些便簽式提示或者標(biāo)語(yǔ)。例如，圖示計(jì)算思維的四個(gè)要素及其具體含義、圖示軟件開(kāi)發(fā)的四個(gè)過(guò)程（理解、開(kāi)發(fā)、回顧和反饋）、圖示編程的四個(gè)步驟（設(shè)計(jì)、編程、測(cè)試、調(diào)試）。教師還設(shè)計(jì)了用計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言呈現(xiàn)的趣味勵(lì)志標(biāo)語(yǔ)，定義了一個(gè)函數(shù)，寫(xiě)道“這里有一些可能的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，如果你有問(wèn)題，就問(wèn)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(jì)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(duì)學(xué)生遇到困難時(shí)的鼓勵(lì)（如下圖）。

教室是教育活動(dòng)的核心場(chǎng)所，也是學(xué)生每日生活和學(xué)習(xí)時(shí)間最長(zhǎng)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(wú)形元素（學(xué)習(xí)氛圍、教學(xué)秩序）對(duì)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(gè)包含大腦、身體和環(huán)境三大要素的自組織系統(tǒng)。

如果說(shuō)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(chǎng)”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(jì)、個(gè)人空間）等對(duì)人的學(xué)習(xí)會(huì)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(guò)程。計(jì)算機(jī)教室中令人舒適的氛圍、隨處可見(jiàn)的專(zhuān)業(yè)書(shū)籍、可獨(dú)立或合作學(xué)習(xí)的座位安排、隨處可見(jiàn)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(gè)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(jiǎn)單的交流，學(xué)校的計(jì)算機(jī)科學(xué)課程采用了AP課程體系，課程共計(jì)開(kāi)設(shè)三年，第一年是學(xué)習(xí)Python語(yǔ)言，第二年使用JAVA語(yǔ)言，第三年學(xué)習(xí)軟件工程，開(kāi)展基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)。選擇計(jì)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(gè)月，每天一節(jié)課，至今已經(jīng)學(xué)習(xí)了40個(gè)課時(shí)。

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(xiě)的代碼可以在線檢測(cè)是否正確，所有學(xué)生的練習(xí)情況以“T”或“F”的形式，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)在教師端，給教師提供及時(shí)的學(xué)習(xí)反饋。

第一節(jié)課是Python語(yǔ)言，教學(xué)目標(biāo)是“能識(shí)別while loops循環(huán)結(jié)構(gòu)的要素組成，能編寫(xiě)while loops循環(huán)”。教師先布置了一個(gè)小任務(wù)：閱讀一段代碼，并用不同的顏色標(biāo)識(shí)不同功能的語(yǔ)句，如紅色標(biāo)識(shí)“函數(shù)”綠色標(biāo)識(shí)“判斷條件”等。這是一個(gè)設(shè)計(jì)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(shí)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(kāi)始了個(gè)別指導(dǎo)，由于學(xué)生在編程和調(diào)試中的問(wèn)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(duì)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(wèn)題。

第二節(jié)課是JAVA語(yǔ)言編程，學(xué)習(xí)的學(xué)生已有一年的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，在編程方面顯然更加熟練。學(xué)生在visual studio code平臺(tái)上編寫(xiě)和測(cè)試自己的程序。與Python語(yǔ)言的教學(xué)模式類(lèi)似，教師布置練習(xí)后，學(xué)生開(kāi)始編程和調(diào)試，教師在7個(gè)小組中往返巡視，一對(duì)一解答學(xué)生的問(wèn)題，師生對(duì)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(duì)方的程序，共同閱讀錯(cuò)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(jì)算機(jī)科學(xué)的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)，大部分學(xué)生的問(wèn)題能得到及時(shí)的解決，一些學(xué)生遇到的問(wèn)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(guó)的課堂教學(xué)十分重視個(gè)性化教學(xué)，而個(gè)性化教學(xué)得以順利開(kāi)展，離不開(kāi)兩個(gè)要素：一是學(xué)習(xí)空間的設(shè)置，無(wú)論是計(jì)算機(jī)教室，還是學(xué)校其他場(chǎng)所的學(xué)習(xí)空間，如實(shí)驗(yàn)室、走廊、圖書(shū)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(shí)使用筆記本電腦訪問(wèn)學(xué)習(xí)管理平臺(tái)。教師在Canvas或谷歌教室等平臺(tái)上建設(shè)課程計(jì)劃，上傳教學(xué)計(jì)劃、任務(wù)安排、學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)范例、評(píng)價(jià)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(guò)平臺(tái)了解整個(gè)學(xué)期每個(gè)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(kāi)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(huì)支持

（1）公立學(xué)區(qū)重視對(duì)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(jì)算機(jī)科學(xué)課程，開(kāi)展了 CS4ALL（為了每一個(gè)孩子的計(jì)算機(jī)科學(xué)）項(xiàng)目，項(xiàng)目辦公室采取了一些措施，如從2016年開(kāi)始將計(jì)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(jì)算機(jī)科學(xué)教育提供了保障。此外，開(kāi)發(fā)了《探索計(jì)算機(jī)科學(xué)》（ECS）課程教材。最后，由于計(jì)算機(jī)科學(xué)課程剛開(kāi)始實(shí)施，學(xué)校缺乏具有計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)背景的教師來(lái)承擔(dān)這門(mén)課程的教學(xué)，CS4ALL開(kāi)展了教師專(zhuān)題培訓(xùn)項(xiàng)目，鼓勵(lì)其他學(xué)科的教師報(bào)名參加，通過(guò)此項(xiàng)培訓(xùn)的教師才能擔(dān)任課程教學(xué)任務(wù)。

從時(shí)間上看，這比上海開(kāi)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(jì)算機(jī)科學(xué)的教師專(zhuān)業(yè)化培訓(xùn)還剛起步。觀摩計(jì)算機(jī)教師培訓(xùn)的現(xiàn)場(chǎng)，由于培訓(xùn)對(duì)象是零基礎(chǔ)，他們是歷史等非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的教師，所以培訓(xùn)內(nèi)容非常簡(jiǎn)單，如把兩片面包中間夾上果醬做一個(gè)三明治，教師把過(guò)程一一羅列下來(lái)，這是對(duì)程序概念的初步理解。這樣的教師專(zhuān)業(yè)化培訓(xùn)，一方面令人敬佩，因?yàn)樗谂嘤?xùn)課程設(shè)計(jì)的生動(dòng)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(zhuān)業(yè)教育背景的教師能否勝任專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)科學(xué)課程教學(xué)？

（2）私立學(xué)校注重為學(xué)生個(gè)性化發(fā)展提供條件

在私立學(xué)校、磁?；虿糠謱W(xué)區(qū)，計(jì)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(shì)。例如，芝加哥大學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)校的計(jì)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(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)、人工智能、高級(jí)語(yǔ)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(shí)驗(yàn)室開(kāi)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(jì)算機(jī)科學(xué)課程負(fù)責(zé)人詳細(xì)介紹了萊恩高中計(jì)算機(jī)科學(xué)課程的設(shè)置情況，目前學(xué)校有18位計(jì)算機(jī)科學(xué)教師，有的教師有豐富的行業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)。學(xué)校共開(kāi)設(shè)了13門(mén)計(jì)算機(jī)課程，這一方面為學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)打下了廣泛而扎實(shí)的基礎(chǔ)，另一方面為學(xué)生提供了豐富的個(gè)性化選擇機(jī)會(huì)。學(xué)校設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)科學(xué)課程的“圖譜”，并用實(shí)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(jì)算機(jī)課程共分四類(lèi)課程：廣度大于深度的基礎(chǔ)課程、需要?jiǎng)?chuàng)造出物理產(chǎn)品的課程、需要?jiǎng)?chuàng)造出數(shù)字產(chǎn)品的課程、需要計(jì)算機(jī)科學(xué)和商業(yè)化結(jié)合的課程。這四類(lèi)課程中每類(lèi)課程都會(huì)按難易（0～3）程度標(biāo)識(shí)為不同級(jí)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(huì)機(jī)構(gòu)提供對(duì)弱勢(shì)群體的服務(wù)

社會(huì)各界對(duì)中小學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)課程的支持力度很大，成為推動(dòng)教育的中堅(jiān)力量，美國(guó)不僅有“編程一小時(shí)”活動(dòng)，正在執(zhí)行的還有“一百萬(wàn)計(jì)劃”，目前已經(jīng)成為獨(dú)立法人的“一百萬(wàn)”計(jì)劃基金會(huì)，旨在為100萬(wàn)名低收入水平家庭的孩子提供計(jì)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(shí)現(xiàn)真正的機(jī)會(huì)均等。這項(xiàng)計(jì)劃也吸引了美國(guó)大學(xué)委員會(huì)、可汗學(xué)院與之進(jìn)行項(xiàng)目結(jié)盟，這些組織會(huì)根據(jù)參與“一百萬(wàn)計(jì)劃”的孩子的表現(xiàn)，為他們提供更多資助。

2.要在實(shí)踐中進(jìn)一步思考教學(xué)方法的有效性

美國(guó)計(jì)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(xiě)代碼和調(diào)試。但是這樣的教學(xué)依然帶來(lái)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(shí)際教學(xué)的時(shí)間分配看，學(xué)生的課堂時(shí)間均在完成新的任務(wù)。如何思考新知識(shí)的價(jià)值？例如，新的知識(shí)是循環(huán)結(jié)構(gòu)中嵌套分支（在while結(jié)構(gòu)中嵌套if語(yǔ)句），教師通過(guò)布置任務(wù)，驅(qū)動(dòng)學(xué)生應(yīng)用這樣的知識(shí)。然而，這樣的結(jié)構(gòu)從何而來(lái)？為何單純的循環(huán)結(jié)構(gòu)不能解決問(wèn)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(wèn)題？還有哪些可能的嵌套方式？似乎學(xué)生沒(méi)有思考過(guò)，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(gè)特定的問(wèn)題，那么學(xué)生什么時(shí)候能有機(jī)會(huì)自主選擇？

（2）如何領(lǐng)悟新知識(shí)的價(jià)值

教師布置了學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生編寫(xiě)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(xiě)了一個(gè)分段函數(shù)，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)介于某區(qū)間時(shí)，對(duì)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(gè)區(qū)間時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行另外一個(gè)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(shí)生活聯(lián)系起來(lái)，如自動(dòng)售貨機(jī)、車(chē)庫(kù)自動(dòng)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(wèn)題，完成這樣的任務(wù)，對(duì)理解新知識(shí)的價(jià)值是否會(huì)更深刻？

（3）陡峭的學(xué)習(xí)曲線是不是大量個(gè)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(wú)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(shí)。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(shí)學(xué)習(xí)與學(xué)生認(rèn)知的步伐同步，是教學(xué)設(shè)計(jì)需要考慮的問(wèn)題。筆者在觀察課堂教學(xué)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，教師從引入新知到開(kāi)始解決新的問(wèn)題，這個(gè)過(guò)程比較快，可以說(shuō)，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(wèn)題，答疑和輔導(dǎo)幾乎占據(jù)了所有的教學(xué)時(shí)間。設(shè)想一下，如果將學(xué)習(xí)曲線設(shè)計(jì)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(wèn)題，最終學(xué)生問(wèn)題解決的質(zhì)量、計(jì)算思維的培養(yǎng)是否更好？試錯(cuò)是有價(jià)值的，但是否所有的試錯(cuò)都有價(jià)值？如果可以找準(zhǔn)學(xué)生的普遍問(wèn)題，如循環(huán)語(yǔ)句的“條件”與判斷語(yǔ)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(cuò)誤支出，“授人以漁”能否讓學(xué)生更迅捷地解決問(wèn)題？

短暫的美國(guó)高中課堂教學(xué)觀察，只能是管中窺豹，很難說(shuō)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(guó)高中課堂教學(xué)的學(xué)習(xí)空間創(chuàng)設(shè)、教師對(duì)每一位學(xué)生問(wèn)題的解答和指導(dǎo)、教師設(shè)計(jì)課程與課程資源良好的規(guī)劃性，值得每一位計(jì)算機(jī)科學(xué)教師學(xué)習(xí)。