CCCF譯文 | 從計算思維到計算行動*

CCCF譯文 | 從計算思維到計算行動*

原創： 邁克•蒂森鮑姆等 中國計算機學會

譯文摘自：中國計算機學會通訊 第15卷 第5期 2019年5月

在這篇觀點文章中，我們勾勒了計算行動的兩個關鍵次元：計算身份和數字賦能，而且進一步提出通過專注計算行動以及計算思維，我們可以使計算機教育對年輕的學習者更具包容性、激勵性和賦能作用。

關鍵詞：計算行動 計算思維

設想同時教授和賦能的計算機教育。

計算行動(computational action)，一個新的計算機教育架構，提出在學習計算機的同時，年輕人也應該有機會利用計算機來創造對他們的生活和社群有直接影響的事務。在這篇觀點文章中，我們勾勒了計算行動的兩個關鍵次元：計算身份(computational identity)和數字賦能(digital empowerment)，而且進一步提出通過專注計算行動以及計算思維(computational thinking)，我們可以使計算機教育對年輕的學習者更具包容性、激勵性和賦能作用。從計算機學習者開始學習程式設計的那一刻開始，他們就有能力去開發對他們的生活有實質影響的計算機産品，而他們所需要的就是處于一個允許他們這麼做的環境之中。

很多時候，K-12計算機教育理1一直強調孩子學習程式設計的“基礎”。更高階段的以發展學習者的計算思維為中心的計算機科學教育，主要聚焦于讓學習者去了解計算的一些細節要素，如變量、循環、條件、并行、運算符和資料處理[10]。這種最初的關注點是計算的概念和過程，将開發現實應用程式留給“以後”再做的做法存在這樣一種風險：讓學習者覺得學習計算機對他們來說并不重要。這種做法回避了很多學習數學和實體的學生們都曾問過的一個問題：“什麼時候我們才能在生活中運用到所學的知識？”[1]。

雖然已經有各種嘗試将計算機教育置于現實世界的背景與問題中，但這些嘗試通常開發的是通用系統（例如為超市設計的結賬系統），無法與學習者特定的個人興趣和生活聯系起來。盡管這些系統在實際應用中對所有學習者都是有價值的，但是對于年輕女性和來自非主流群體的青年來說，并沒有給他們提供開發具有現實意義的計算機解決方案的機會，這是一個嚴重的問題。對于傳統上在計算領域代表名額不足的這些群體，人們發現，融入并歸屬于更廣泛的計算社群的感覺與能夠開發對其自身和社群都至關重要的計算解決方案密切相關[8]。通過與學生的現實生活聯系起來，我們可以幫助他們以批判的眼光看待自己能夠在影響社群方面充當怎樣的角色，并且使得他們不僅僅止步于學習簡單的程式設計，相反，我們可以問他們想要對什麼内容程式設計以及為什麼對它們程式設計[5]。

通過将計算機教育置于與學生緊密相關的現實世界中，我們能讓更多的人參與到計算機領域中來，為青年和社會帶來好處。這不僅有助于培養急需的程式員，也向社會輸送了計算機文化和有解決問題能力的公民。

減少實施計算行動的障礙

在嘗試開發有影響力的計算機解決方案時，年輕學習者面臨許多挑戰。其中的許多挑戰可歸因于計算機教育本身的背景——計算機教育經常發生在傳統的計算機實驗室中，這些實驗室與學生的日常生活相去甚遠。然而，随着移動計算和普适計算的日益普及，可能要重新思考和建構學生學習計算機的地點和方式。計算機教育現在可以從桌面螢幕上解放出來，并與學生的日常生活和社群聯系起來。

在計算機領域，與學生生活聯系起來的能力代表着一種根本性的轉變，這種能力為年輕人開辟了新的途徑，讓他們可以将世界視為“可能性空間”。在這些空間中，他們可以提出問題并建構解決方案來處理個人确定的需求。但是，為了使年輕人能夠建構這些解決方案，我們需要提供平台和學習環境，以減少他們快速建構和實施設計的障礙。舉一個例子，我們開發了一款名為“App Inventor”的應用，這是一種積木式的程式設計語言，允許學習者無須處理複雜的文法，就能建構功能齊全的手機應用程式。

計算行動：一條建構有影響力的計算機教育的新途徑

計算機在學生生活中所扮演角色的根本性轉變也要求我們批判性地重新審視計算機科學教育的目标，特别是對于K-122學生來說。計算機教育的目标需要超越計算思維，上升到計算行動的視野高度。計算行動的視野高度建立在以下思想的基礎上：在學習計算機的時候，年輕人應該有機會以對他們的生活和社群有直接影響的方式進行計算。

通過多個設計研究、研讨會和使用麻省理工學院App Inventor的全球移動應用程式開發倡議，我們建構了計算身份和數字賦能這兩個關鍵次元，來了解和發展支援學生參與計算行動的教育經驗。“計算身份”建立在先前的研究基礎之上，這些研究表明了年輕人科學身份的發展對于未來STEM3進步的重要性[6]。對于我們而言，計算身份是一種自我認知，即認為自己能夠設計和實施計算機産品去解決自己想要解決的問題。此外，學生應該将自己視為龐大的計算機開發者所構成的社群中的一員。“數字賦能”則建立在弗雷爾(Freire)的工作之上[2]，弗雷爾将賦能(empowerment)定位為批判性地參與他們所關注的問題的能力，還建立在托馬斯(Thomas)和奧爾特豪斯(Velthouse)的工作之上[9]，他們發現了賦能與意義、能力、自我決斷和影響力等概念之間的聯系。是以，數字賦能需要向年輕的學習者灌輸這樣的信念：他們能夠将自己的計算身份付諸行動，以實質性的和有意義的方式去解決與他們緊密關聯的問題。

為了完善計算行動的教育舉措，我們制定了一套标準概述了所需的關鍵要素。

支援計算身份的形成需要：

• 學生必須感到自己有責任闡明和設計他們自己的解決方案，而不是努力達到預定的“正确”答案。

• 學生需要感覺到，對于更廣泛的計算界和工程界的實踐和産品而言，他們的工作是有實質意義的。

支援數字賦能的形成需要：

• 大量的活動和開發應該建立在真實的并且與個人相關聯的環境中。

• 學生需要感受到他們的工作有可能對他們自己的生活或社群産生影響。

• 學生應該感受到他們有能力通過他們目前的工作來尋求新的計算機會。

實踐中的計算行動

我們已經親眼目睹了計算行動這個方法對學習計算機科學産生的巨大影響。在孟買達拉維的貧民窟（亞洲最大的貧民窟之一，電影《貧民窟的百萬富翁》的标志性地點），一群年輕女性（8~16歲）認識到女性的安全是她們社群中存在的一個關鍵問題。盡管之前沒有程式設計經驗，但她們還是行動起來，因為她們感受到程式設計可以給她們身邊人的生活帶來真正的變化。通過當地導師、一些線上視訊以及麻省理工學院APP Inventor的指導，她們建構了名為“Women Fight Back”的應用程式，該應用程式專注于女性的安全，并具有短資訊(SMS)警報、地圖定位、遇險報警和聯系人緊急呼叫等功能[4]。受到早期成功的鼓舞，她們建構了更多的應用程式，包括一個用于協調從公共水源取水的應用程式，以及一個針對無法上學的女孩們的教育類應用程式。這些年輕學習者從零程式設計經驗開始，成長為一個持續努力利用計算機改善她們所處社群的群體，展示了計算行動具有革新性的巨大潛力。

在達拉維女孩和其他類似的年輕學習者成功的基礎上，我們開始開發包含計算行動模型的正式課程。最近，我們與一所大型而多樣化的美國高中的多位教師合作，使用App Inventor建立了一個為期10周的計算課程。在這個課程中，學生們開發了計算解決方案，以解決與他們及其社群相關且有意義的問題：清理當地河道和提高保護意識。課程結束時的訪談顯示，學生對自己的計算身份和數字賦能的認知有積極改變：從根本不相信自己能夠建構移動應用程式，到意識到他們不僅可以建構應用程式，而且他們的設計可以産生顯著的現實影響。許多學生也對将來建構新的應用程式表示興奮。

推進這種學習者自驅動且以行動為中心的計算機教育，需要我們重新審視如何為學習者提供支援。這也給教師帶來了新的挑戰。學生需要在設計過程中使用“腳手架”(scaffolding)來幫助他們了解如何将應用程式分解為可管理和可建構的部分。重要的是，教師需要在沒有預定義解決方案的複雜教學環境中仍然能從容應對各種問題。這并不是要求教師更多地了解功能性的程式設計知識，而是要求他們在應用程式設計方面更加靈活。教師需要新的政策來幫助學生自己發現解決方案（而不是直接給他們答案），并且需要新的方法來評估學生的工作。認識到這些教育學的轉變意味着我們必須接受新的教育方法，來測試和完善我們的計算行動理論。

學習者認識到應用計算機的機遇，然後設計和建構解決方案

讓學生推動他們自己的學習或解決問題的過程并不是教育界的一個新想法。在過去的二十年中，基于問題的學習（示例參見Hmelo-Silver[3]）越來越多地用于科學和工程教育。然而，将學生設計的産品應用于他們的社群一直是一個挑戰。随着移動計算和普适計算的普及，我們開始意識到這裡的潛力。

通過專注于計算行動而不是計算思維，我們讓孩子參與有意義的項目，而不是預先制定的練習。佩珀特(Papert)認為，在開發對個人有意義的項目過程中，學生将能夠形成想法，并通過應對自然産生的挑戰來學習必要的編碼元素[7]。這類似于在專業領域中程式設計和建構計算解決方案的過程。來自所有職業和業餘愛好的人們都構思了希望建構的“項目”，這些項目需要用到計算機程式。這些人先制定計劃再開始建構，但障礙不可避免地出現。這些計算機程式員、專業人員和業餘愛好者、計算機科學家、工程師、科學家以及其他人在更廣泛的程式員群體中找到自己問題的答案（通過直接詢問同僚或通過StackOverflow這樣的網站）。如果這就是現實世界中計算的發生方式，為什麼教育系統卻經常讓學生以抽象和不真實的方式來學習計算和解決計算問題呢？

随着計算機和計算機教育領域的快速發展，我們有機會重新考慮學生應該如何學習計算機。年輕的學習者從開始學習程式設計的時候起，就有能力開發對他們的生活産生實質性影響的計算機産品。而他們需要的，僅僅是一個允許他們發揮影響力的環境。計算行動從定義這個環境應該是什麼樣子開始。随着更多計算機專業教師上線，我們有獨特的機會與他們合作，因為他們具備了與學生一起參與計算行動所需的技巧和技能。我們為這樣的一個世界感到興奮，年輕的學習者認為這個世界充滿着可以以數字化的方式創造他們（和我們）想要居住的未來的機遇。

腳注

• 本文譯自Communications of the ACM, “From Computational Thinking to Computational Action”, 2019,62 (3) : 34~36一文.

1 2016年10月，美國《K-12計算機科學架構》(K-12 Computer Science Framework)正式釋出，描述了計算機科學概念和實踐的基本集合，是美國新版國家計算機科學教育标準研制的基礎。——譯者注

2 “K–12”是指從幼稚園（Kindergarten，通常5-6歲）到十二年級（Grade 12，通常17-18歲）。——譯者注

3 STEM是科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)、數學(Mathematics)四門學科英文首字母的縮寫，其中科學的功能在于認識世界、解釋自然界的客觀規律；技術和工程的功能則是在尊重自然規律的基礎上改造世界、實作對自然界的控制和利用、解決社會發展過程中遇到的難題；數學的功能是作為技術與工程學科的基礎工具。——譯者注

參考文獻

[1]Flegg, J., Mallet, D., and Lupton, M. Students’ perceptions of the relevance of mathematics in engineering. Intl. Journal of Mathematical Education in Science and Technology 43, 6 (June 2012), 717–732.

[2]Freire, P. Pedagogy of the Oppressed (20th anniversary ed.). Continuum, NY, 1993.

[3]Hmelo-Silver, C.E. Problem-based learning: What and how do students learn? Educational Psychology Review 16, 3 (Mar. 2004), 235–266.

[4]Joshi, S. Teenage girl coders from Mumbai slum are building apps to solve local problems. (Mar. 29, 2016);

http://mashable.com/2016/03/29/mumbai-dharavi-girls-coding-apps/

[5]Lee, C.H. and Soep, E. None but ourselves can free our minds: Critical computational literacy as a pedagogy of resistance. Equity & Excellence in Education 49, 4 (Apr. 2016), 480–492.

[6]Maltese, A.V. and Tai, R.H. Eyeballs in the fridge: Sources of early interest in science. International Journal of Science Education 32, 5 (May 2010), 669–685.

[7]Papert, S. An exploration in the space of mathematics educations. International Journal of Computers for Mathematical Learning 1, 1 (Jan. 1996), 95–123.

[8]Pinkard, N. et al. Digital youth divas: Exploring narrative-driven curriculum to spark middle school girls’ interest in computationalactivities.

Journal of the Learning Sciences 26,3 (Mar.2017); doi.org/10.1080/10508406.2017.1307199

[9]Thomas, K.W. and Velthouse, B.A. Cognitive elements of empowerment: An “interpretive” model of intrinsic task motivation. Academy of Management Review 15, 4 (Apr. 1990), 666–681.

[10]Wing, J.M. Computational thinking. Commun. ACM 49, 3 (Mar. 2006), 33–35.

作者介紹

邁克•蒂森鮑姆(Mike Tissenbaum)

伊利諾伊大學香槟分校教育學院助理教授。

[email protected]

喬許•謝爾登(Josh Sheldon)

麻省理工學院負責App Inventor的副主任。

[email protected]

哈爾•阿貝爾森(Hal Abelson)

麻省理工學院電氣工程與計算機科學系計算機科學與工程教授。

[email protected]

譯者介紹

劉宇航

CCF專業會員，CCCF特邀譯者。中國科學院計算技術研究所副研究員。主要研究方向為計算機體系結構、高性能計算、大資料、智能并發系統。

[email protected]