白宫发布“通过STEM教育培养计算素养指南”

近日，美国白宫网站发布由计算素养跨机构工作组（IWGCL）编写的《通过STEM教育培养计算素养:联邦机构和利益相关者指南》报告，总结了在STEM教育中培养计算素养（Computational Literacy）的最佳做法，包括在线学习、多样性、公平、包容和可及性方面的实践例子，将计算素养成功融入STEM教育的例子，以及通过新兴技术实现计算素养的例子。同时就解决计算素养培养面临的障碍提出了建议。

该文件认为，培养计算素养对于促进美国创新和竞争力，以及建立一支能够加强国家安全、促进经济繁荣和提高生活质量的劳动力队伍是必要的。目前美国各行业超过90%的工作至少需要一些数字技能，需要具备计算素养才能获得好的工作和拥有稳定的职业生涯。

一、什么是计算素养

计算素养跨机构工作组（IWGCL）综合多方观点，提出了计算素养的一个通用定义：

计算素养是指使用信息、信息处理代理、数字资产、网络组件、应用程序和系统的能力，这些能力结合在一起，使人和组织能够在数字世界中进行交互，并单独或与团队一起解决问题;从个人和专业背景下的数字信息中得出有意义和合理的结论;安全，合乎道德地使用网络(有线和无线)和数据;并了解计算、数据和连接如何影响社会。基本组成部分还确定社会和文化背景，包括社会如何参与技术的使用以及如何确保这种使用有利于社会。

计算素养帮助个人：

（A）合乎道德、安全、高效地使用信息处理代理、数字工具和数字平台来教授、学习和解决问题，包括敏感信息问题；

（B）解决问题(例如，将问题分解为可管理的部分;启发式推理;算法思想;计算思维)。

（C）递归地思考；

（D）驾驭多层次抽象；

（E）识别模式；

（F）收集、分析、管理、可视化和交流数据;

（G）将领域知识转化为数学和视觉模型；

（H）了解计算技术的社会、技术和文化动态，包括公平性、包容性和可及性；

（I）批判性地评估信息、数据和技术。

二、为什么将计算素养融入STEM教育

报告指出，在全球经济中，技术的快速发展和应用要求当前和未来的学习者需要具备计算素养。使用基本的数字工具和具备基本的数字素养技能已经不够了。跨多个部门的劳动力职业越来越需要更高阶的数字技能和计算素养所特有的思维处理能力。

K-12课堂提供了一个开始培养这种素养的理想机会，但个人将在他们的教育和工作旅程中继续获得这种素养。STEM教育工作者现在面临着巨大的挑战，他们需要精通计算素养，并且需要有效地实施越来越多的新工具、应用程序和课程，以在STEM学习中培养计算素养。

报告指出，虽然将技术融入课堂的概念并不新鲜，早在20世纪90年代初就有研究开始为教师在所有年级采用计算机辅助教学制定指导方针。近年来，将技术融入课堂的一种方法是编程，这种方法在过去十年中在K-12年级得到了大量实施，导致了一些中学课程中加入编程的运动。

然而，在不以编程为中心的STEM课程或一般的计算机科学课程中嵌入计算素养是有利的，对于那些可能无法获得特定计算机科学机会的人来说，这可能被认为是一种公平的策略，可以克服时间和可访问性限制。

为了通过更高阶的计算素养来增强现有的STEM教学法和课程，出现了一些新兴的课程主题，包括建模和模拟、数据科学、计算问题解决和系统思维。这些方法强调现实世界的适用性，可以帮助教师和学生认识到计算素养的价值。

从STEM教育的角度来看，报告指出，STEM将科学和数学作为技术和工程的两端。科学和数学对于宇宙的基本理解至关重要，而工程和技术是人类与宇宙互动的手段。STEM不仅仅是学生可以从教科书或所攻读的学位中学到的课程、学科或知识。

STEM包含了一种学习方式，并为学生提供了一种探索周围世界的方式。其中：

S代表科学，关注学生如何了解自然世界；

T代表技术，指的是工具和机器，包括计算机和数字资产，用于解决现实世界的问题；

E代表工程，研究事物是如何设计的；

M代表数学，即对数字、数量和空间的研究。

STEM方法将使学生做好准备，解决他们在全球社会中遇到的跨学科问题，无论他们选择的专业或选择的职业道路如何。STEM教育也将使各个年龄段的学生成为批判性和创造性的思考着、创新者、问题解决者、合作者和强大的沟通者。

尽管对STEM教育的关注带来了好处，但教育系统正面临失去创新协作方法的危险。随着时间的推移，STEM的跨学科性质已经消失。相反，科学、技术、工程和数学被视为独立的、通常是孤立的学科。

计算机科学、网络安全、数据科学和量子科学只是加入这四个关键领域的几个学科，对维持美国的世界经济地位至关重要。然而，在所有这些学科中都有共同的组成部分:计算素养。

计算素养是这些学科融合的关键。

三、将计算素养融入STEM教育需要考虑什么

报告结合前期的调查，指出将计算素养融入STEM教育中需要考虑四个关键概念主题：

一是基本数字技能。具体而言，应从最年轻的学习者开始，通过创造更多接触的机会(例如编程/网络日、竞赛、课外活动、学生俱乐部)，提高数字素养技能(例如，打字、网络安全、编码)；为残障学生开发无障碍工具，让他们参与计算素养活动(例如，数据可视化、数据分析和编程)，这对视障学生和STEM工作人员尤其需要。

二是教师专业发展。具体而言，增加计算素养专业发展计划，为教育工作者提供培训；将认知概念(例如，分解、抽象、模式识别和算法思维)纳入计算素养学习目标；创造机会应用有关的实践和技术，支持教学计算素养作为核心竞争力；聘请内容创建者为课程支持生成有意义的集成资源。

三是伦理。具体而言，确保将道德地使用纳入计算素养学习目标；开发从小学到研究生的网络安全教育材料和网络行为的最佳实践。

四是社区外展。具体而言，通过学校和社区组织开展更多的实践活动，让参与者了解计算素养概念的范围；开展有关计算素养和技术应用的活动，以实现更安全、更可靠、更高效的世界；提高对计算素养的自我效能感和职业意识（例如，通过与相关领域的行业和专业人士合作），使参与者将自己视为未来的全球技术领导者和创新者。

四、如何将计算素养融入STEM教育

报告最后提出了在STEM教育中培养计算素养的政策建议，包括：

使用计算素养的通用定义来帮助解释构成要素的复杂性，加强机构一致和清晰沟通的能力，创造一个能够积极参与全球数字经济的社会，并为日益需要更广泛和更先进的数字和认知技能的劳动力做好准备。

增加教育工作者的专业发展计划，将适用于其特定主题和年级水平的计算素养要素整合进去；

确定接入障碍并制定战略，以增加所有地点的宽带服务，无论人口密度如何，从小城镇到城市社区，以及所有种族、教育程度和收入的人口群体；

提倡使用工具和应用程序，展示所有人都可以访问的计算素养组件；

提高计算素养，作为通往STEM学术和职业选择的多种途径的一种手段，从而为美国人带来高需求和高收入工作；

鼓励部落、州、地方教育机构、高等教育机构和培训机构在专业发展项目中、在使用行业认证和学术证书时、在为其员工选择相关培训机会时使用一致的语言，并开发包含计算素养内容和教学的培训机会；

支持强调计算素养构成部分及建设计算素养社会需求的活动；

让社区组织、家长协会、辅导员和其他支持学生选课决定和职业意识的利益相关者参与强调计算素养重要性的外展活动；

促进包括跨学科和STEM教育融合的计算素养内容的开发。

资料来源：

NSTC. Building Computational Literacy Through STEM Education: A Guide for Federal Agencies and Stakeholders, 27/11/2023，https://www.whitehouse.gov/wp-content/uploads/2023/11/Building-Computational-Literacy-Through-STEM-Ed-Guide-for-Federal-Agencies-FINAL-PUBLIC.pdf

（由于编者水平有限，编译内容仅供参考，请以原文为主，点击左下角“阅读原文”可从官网下载该报告）