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美国K-12CS《幼儿阶段的计算机科学教育》指南解

2019-10-22 13:11    作者:体育投注

  本文摘选出《美国K12计算机科学框架》的指南中关于幼儿早教阶段的内容,并翻译成中文,简单阐述美国对早期的计算机科学教育是如何定义,并且提出哪些教育要素、教学方法和案例。

  来源:cMonster,翻译内容,仅供参考,如需转载,请标明出处,尊重知识成果。

  为了增强美国在21世纪的世界劳动竞争力,美国政策制定者越来越重视科学,技术,工程和数学(STEM)的主题,以此来确保当代年轻人能有足够的能力在全球化的经济中竞争。目前,计算机科学最近成为全国关注的焦点,在各个地方,州和联邦层面采取大规模举措,旨在确保学生获得计算知识技能,计算机科学被视为经济机会和社会流动所必需的“新基本”技能(Smith,2016,para.1)。

  目前,许多计算机科学的教育计划都侧重于K-12和高等教育环境。例如,马里兰州已经建立了幼儿园(pre-K)计算机科学标准(马里兰州教育部, 2015),同时还有几个学区,包括旧金山联合学区(Twarek, 2015)和波士顿公立学校(2016),他们已经在pre-K年级开始开展计算机科学教育。

  指南中明确指出——在早期儿童阶段开展计算机科学教学是有必要的。并且幼儿阶段提供计算机科学教育也已经被证明是缩短早期成就和发展差距的最佳手段之一,并且有助于更广泛社区的经济发展和社会福祉。

  我们可以看出指南中充分肯定了早教阶段学习计算机科学的重要性和必要性,并且已经在多个州开展了Computer Science learning in early childhood那我们接下来一起来看看指南中提到了哪些教育要素。

  在High/Scope Perry的幼儿园计划(Schweinhart et al.,2011)和84项儿童早期教育干预措施(Camilli,Vargas,Ryan,&Barnett,2010)的研究中一致表明:高质量的早期学习经历对儿童的学习和发展具有积极的短期和长期影响。虽然不同的教学环境中体现的“高质量的学习经历”可能看起来不同,但是几个共同的要素是基本确定的,它包括教师和学生之间的教学和情感支持互动;开发合适的课程资源和材料;具有个性化、结构化的系统学习活动以满足学生的不同需求和探索和游戏的机会(Pianta,Barnett,Burchinal,&Thornberg,2011; Yoshikawa et al.,2013).

  指南中概述了一套特定于幼儿教育的“强有力的想法”。这些pre-K计算机科学概念和实践为以后在小学阶段学习计算机科学奠定了基础知识和理解。它们以早期儿童教育环境中的计算机科学教育研究文献为基础,并以Papert(1980)建构主义框架为基础,该框架强调儿童能够在物理世界中主动构建知识,而计算技术就是儿童在物理世界中可以使用的工具,来建立和设计以发展知识。教师通过提供有条理的支持来帮助引导学生更深入的参与和更高层次的思想。建构主义为计算机科学教育的研究和实践奠定了基础,并与传统的幼儿教育概念相结合,在实践、互动和基于游戏的学习环境中获得计算机知识(Bers,Ponte,Juelich,Viera,&Schenker,2002)。

  如下图所示,数学,识字和科学的核心内容领域中嵌入了四个强有力的想法,第五个社交和情感学习被理解为所有幼儿教育实践的整体框架。此外,这些强大的想法都被早期学习环境的教学基石所包含:游戏.

  游戏为孩子们提供了以有意义和有目的的方式来体验学习的乐趣。这是孩子们培养技能和能力以及成为有效学习者的一种手段。游戏能够很好地激发出学生的学习兴趣,充分调动其学习的积极性,让学习变得更有意义,可以自发性地使学生主动学习,提供学习效率,增强其在课堂中的表现和自主管理能力。其次,游戏有利于巩固和扩展知识。在游戏教学中,学生主动参与活动,主动与同伴一起体验游戏乐趣,学生在整个学习过程中构建语言知识、想象能力、社交能力等等。再次,游戏可以增进学生之间和教师与学生之间的情感,加强彼此的信任,在游戏教学的互动环节,学生也会积极主动地交流他们的想法和心得。

  在指南中阐述了Papert(1980)提出的“强有力想法”,并以此为教学主要内容,认为在早教阶段的学生需要习得这些想法,为后续的学习奠定基础,我们一起来具体看看这些ideas是什么。

  儿童通过与同龄人和成年人的有趣互动来培养社交和情感技能,研究不断表明这些互动会对儿童的学习和发展产生重大影响。这些强大的情感、行为和认知能力为成功的学习和发展奠定了基础。教师可以通过为学生提供分享,协作和互相支持的机会来培养包容性计算学习氛围。在计算机科学中,最好的产品是由不同背景的成员组成的团队创建的,他们倾听并尊重彼此的想法。此外,计算机科学不仅仅是创造产品;它也涉及到有效沟通(口头和视觉)和解决方案。这些原则可以通过游戏促进儿童的社会和情感发展。

  模式是通过使用共同特征(例如,颜色,形状,大小)组织对象和信息来帮助我们理解世界。在计算机科学中,模式允许人们通过概括和应用多种情况的解决方案来降低复杂性。在早期学习中可以创造和运用抽象能力(例如,定义和调用过程),更有效地解决计算问题(例如,使用循环而不是重复命令)以及进行推理(例如,使用模型和模拟得出结论)。

  创造和运用抽象的一个方面是对项目/对象/代码进行分类,并基于这些分类来识别一般属性(或“抽象”出更一般的模式来描述分类)。

  幼儿在探索周围世界并与之互动时,自然会在日常生活中参与解决问题的过程。教师可以通过提问来揭示孩子的推理和思考过程(例如,你是怎么知道的?是什么让你这么认为?)以及提供结构化的方法来帮助孩子解决问题,从而帮助解决问题“可见”。在计算机科学中经常使用的一种这样的方法是迭代开发过程。这个过程涉及识别问题、设计和测试解决方案、评估结果、并修改和重做以找到最佳解决方案。

  从某种意义上说,计算机科学是对问题,解决问题的过程以及这些过程产生的解决方案的研究。尽早参与解决问题的活动可以为识别和定义计算问题,参与测试和改进策略以及开发和评估现实问题的计算解决方案奠定基础。

  任何具有印刷版本的语言都是语言如何被用来表达的一个例子。比如英语,它是由单词或单词组表示,表示声音和含义。类似地,计算语言由数字,文本和符号表示。

  理解早期的计算机语言可以为理解计算机如何表示信息和模拟系统行为奠定基础,这两者对于创造和运用抽象都很重要。另外,计算工件的创建涉及开发需要理解计算机如何表示数据的模拟和可视化,并且关于计算的有效通信涉及通过视觉表示(例如,故事板,图表)呈现信息。

  儿童经常通过早期识字和数学来学习序列。例如,儿童学习故事遵循一个序列(开始,中间,结束)。类似地,通过序数(第一,第二,第三)以及大小和幅度(从最小到最大)来探索测序。在计算机科学中,排序是算法的重要基础,算法是计算机为完成特定任务而遵循的精确指令集。至关重要的是,人们按照正确的顺序发出指令,因为计算机完全按照他们编程的方式行事;如果指令没有正确排序,算法将无法达到预期的效果。

  在早期学习排序可以为学习框架的五个核心概念之一奠定基础,算法和编程,计算问题解决,抽象和工件创建中的关键思想。

  指南中讲到如何教授五个“强有力想法”的案例。案例分为日常生活中的例子和计算机科学的例子,从生活过度到计算机的教学中,简单易懂。

  学习与新玩伴一起玩是在早期学习环境中经常发生的,并且经常涉及需要教师提供脚手架/参与的谈判过程。教师可以建立三个阶段的流程来帮助推动这种类型的谈判。一般的情况是这样的,首先,小孩A选择一个游戏玩五分钟。然后,小孩B选择一个游戏玩五分钟。在AB需要一起玩一个游戏的时候,AB两个学生就需要练习如何找到他们都喜欢的游戏,如果找不到的话,则需要某一方让步或者妥协。三个阶段:教师可以通过鼓励小孩A在陈述他想要玩的游戏的属性而不是具体指出想玩的实际游戏是什么(例如,“搭建某物”而不是“玩积木”)。然后,小孩B则在这个基础上提出他喜欢的游戏是什么。如果孩子们有更多的口头和推理技巧,他们每个人都可以多描述他们想要玩的游戏的几个属性,然后思考并解决哪一个游戏可以满足所有属性。三个阶段的结构允许每个孩子轮流担任领导者,轮流成为尊重别人的倾听者和追随者,并且为他们提供了需要同时考虑多个意见的对话的一个沟通蓝图/框架。

  通常,幼儿教学环境是不配备一对一计算设备,这种情况就默认儿童需要成对或小组工作。教师可以通过培养儿童的配对编程技能来适应这种教学环境。在最简单的层面上,可以让学生通过使用“我的回合”/“轮到你”的抽认卡来学习如何共享一台设备,孩子们来回传递卡片来指定谁轮到使用计算机的顺序。更进一步,教师可以提高关于计算机协作学习的机会(Dillenbourg,1999; Goodyear,Jones,&Thompson,2014),孩子们在计算机上一起工作解决共同的任务或问题,而不仅仅是只是轮流地单独使用机器。结对编程涉及一个人担任“驾驶员”的角色,而另一个人是“导航员”。驾驶员是控制计算机操作并专注于细节的人,而导航员则帮助司机找到问题和潜在的问题。在pre-K的阶段,教师可以帮助促进两个孩子之间的配对编程,使用相同的“轮到你”/“轮到你”的抽认卡来指定驾驶员/导航员角色,以及鼓励孩子参与协作和沟通技巧来培养同伴之间交流的脚手架。教师也可以通过参与儿童与教师的配对编程来提供更多支持和脚手架帮助儿童理解结对编程。

  儿童学习通过日常的案例来识别模式,这些案例是他们的实际生活的世界中会注意和命名事物特征的例子。例如,儿童可以在教室或发现教室中不同的颜色,他们就会对这些颜色进行命名,或者是发现并命名Legos的不同模块。随着时间的推移,他们可以开始识别重复的特征,然后创建图像或移动对象以显示重复的特征。例如,儿童可以按照绿色,红色,绿色,红色,绿色等顺序放置彩色物体。

  随着额外的颜色或特征被考虑 -黄色,绿色,红色,黄色,绿色,红色,这些图案可以变得更加精细。此外,音乐的旋律也是模式识别的一个很好的例子,因为它呈现重复的声音和运动模式。儿童可以通过舞蹈表现出运动模式,重复身体运动。

  将这一步骤进一步扩展到儿童早期学习的抽象技能上,可以给予学生特定类别(例如,狗或猫)并基于该分类识别他们所知道的内容(即,属性)。例如,对于类别“猫”,儿童将知道的一些属性是近似大小(明显小于马),颜色(不是紫色,绿色或蓝色),眼睛(两个)和腿(四个) ),以及尾巴的存在。孩子们也知道一只猫喜欢突袭,它会喵喵叫,但猫不会吠叫,也不会飞。

  在数字世界中,计算机使用模式来组织信息。教师可以展示世界各地的重复模式。例如,杂货店中无处不在的条形码图案旨在将关于物品的信息提供给收银机。条形码使用重复的特征(细线,粗线和空格)来指示计算设备。扫描仪的“嘟嘟,嘟嘟,嘟嘟”也是杂货店的一种模式,因为它是一个重复的功能。模式也可以是组别,例如,我们可以对条形码 - 哔哔声,条形码 - 哔哔声,条形码 -哔哔声进行分组。

  教师可以使用模块化的实物编程环境来呈现指令的模式并指导学生识别模式。许多模块化的编程语言会用不同的颜色来划分不同类型的模块。教师可以演示如何使用一系列命令绘制简单的形状(如方形或三角形),并要求学生通过观察指令中不同的颜色的模块来找到模式。这项活动可以作为模式识别的第一节课来帮助学生独立创建自己的项目。

  当孩子们用积木建造时,他们会经常解决一些问题,例如,在为玩具车穿过障碍桥时,孩子可以移动两边的积木柱并在顶部添加一个积木块。如果顶部的积木块不够长,不能扣住两边的积木柱,那么孩子可能会把两边的积木柱移近一些,并尝试再次扣住顶部的积木块。这些解决问题的思考过程和行为都是可以被可视化的,只需要教师让孩子解释他们的行为,并展示他们是如何修改和重做。老师可以谈论学生在解决这类问题时的思维过程,发表评论,例如“哇,我注意到你发现这座桥不起作用。您是怎么知道接下来要做什么来解决您的问题的?”

  此外,教师可以在教室里建立一个“发明家工作室”,让孩子参与迭代开发过程,在教室中儿童使用解决问题的技能,并借助教师提供的脚手架和技术资源来创造新的东西。

  例如,如果一个孩子想要做一个袜子木偶,他可能首先在纸上画出他的袜子木偶的图像,并记下他需要做的所有材料。然后,在老师的帮助下,他可以在线查看袜子木偶的图像,并搜索如何制作袜子的说明。然后,孩子可以在尝试构建实际的袜子木偶之前,根据他和他的老师在线找到的资料,比较和修改他的原始绘图和材料列表。在整个施工过程中,教师还可以使用技术(拍摄整个制作过程)来帮助记录解决问题的设计过程,以便孩子可以回顾并反思创造他的袜子木偶的步骤。

  教师也可以明确地提出问题并要求儿童提供创造性的解决方案。例如,教师提供一个情景:一只鼠想跳到床上,但附近的鞋盒太矮,无法帮助小老鼠到达目的地。小老鼠应该如何解决这个问题呢?还有什么东西可以用小老鼠到爬到床上呢?在这个例子中,教师可以征求许多不同的想法,并强调解决这个问题没有一个正确的答案,但有些解决方案可能比其他解决方案更有效和更有效。

  当开发人员创建新技术时,他们经常使用迭代设计,包括创建技术的早期版本,测试它,评估结果,进行修订,然后再次测试。 在课堂上,有时机器设备突然故障了,教师也可以让孩子参与类似的迭代问题解决过程,找出原因。他们可能会检查设备是否已打开,是否已断电或是否已断电。这些不同的检查对于弄清楚为什么设备出现故障以及如何让它再次工作非常重要。

  孩子们画出他们的家庭照片,这些照片通常看起来像“土豆人” ,头部和身体的圆圈以及伸展成手臂和腿部的线条。有时这些“土豆人”的表现形式的背后其实有更深刻的含义和故事。教师可以通过让孩子分享他的图片的含义并用印刷文字书写来描述他们的作品来理解他们所画的图。

  或者,教师可以通过示范如何通过一些图片或者符号来表达自己的想法。例如,教师可以用诸如向前移动的箭头,转身的螺旋等图标来表示方向。这些图标还可以被用来玩“红灯,绿灯”的游戏,其中儿童根据看到的图标来做相对应的动作。

  同样,教师可以通过比较不同的文化数字系统来探索儿童的表现形式。通过手指来数数在不同国家文化中都存在,但是表达形式却又不同。在美国的文化中,每个手指代表一个值,儿童通过来数两只手的手指数量来确定一到十。但是,在中国的文化中,可以只用一个手掌来表示一到十的数字。教师可以教孩子们中国的数数系统,然后讨论两者之间的差异。美国系统仅依赖于手指的数量,但中国系统还使用了哪些手指,手指握持(卷曲)的方式以及角度(向下与向上)。

  在数字世界中,计算机科学家使用独有的表达来与计算机“通信”。孩子可能会在智能手机上看到许多app的图标,其中每个图标代表不同的应用。其他“按钮”在计算世界中是可见的。例如,汽车中的开/关的开关和数字仪表板都是计算世界中信息表达的示例。教师可以让孩子们在课堂上探索计算设备上的不同类型的表达。

  此外,计算机使用一些表达来更有效地运作。例如,计算机表示具有数值的颜色。儿童可以使用颜色的RGB(红色,绿色,蓝色)数值,在计算设备上进行简单的文字处理,绘图或照片编辑应用程序。教师可以通过指出计算机如何用RGB数值的数字表达颜色以及如何通过更改数值来改变屏幕上显示的颜色

  孩子们喜欢讲故事;他们谈论周末发生的事情,家庭活动以及课堂上发生的各种事件。这些故事中的每一个都可以分解为一系列活动。教师可以提出有针对性的问题,帮助孩子们扩展这些想例如,一位老师可能会问,“最后发生了什么?”“先发生了什么?”和“中间发生了什么?”

  帮助儿童建立序列的概念的另一种方法是让教师要求孩子们为日常任务安排顺序,比如穿衣服。教师让学生将他们今天要做的活动定顺序,要做的第一件事情是什么,第二件是什么,第三件是什么等等。他们还可以让孩子一些带有序列的图片,以显示序列的重要性,以及序列的改变会产生很大的不同(例如,穿鞋后穿袜子,穿衣后洗澡),让他们更加明白序列的重要性。或者,教师可以让学生参与故事排序活动,孩子们必须按照正确的顺序放置一系列图片,以便故事有意义。

  可以在使用数字工具的场景中解释序列。例如,教师可以解释在杂货店通过扫描食品的条形码来得知食品的价格。顺序是(1)扫描食品项目和(2)收银机指示价格。从扫描项目到显示出价格,这一个过程是的数字信息的输入/输出,这个活动可以让儿童通过假装游戏来体验,什么是输入和输出,以及序列的顺序是什么。

  学生也可以使用简单的模块化的实物编程来创建由序列组成的简单算法和程序。这些实物编程可以让学生非常简单地创建程序,而不像传统基于文本的编程一样会出现的阅读障碍。这些实物编程可以帮助儿童更低门槛的接触编程。这些可视化/实物化模块的指令表达是遵循计算机运行的特点(例如,动画)(Strawhacker&Bers,2014)。 还有为pre-K学生创建的机器人学习环境,它们使用实物化的木块来创建一组命令,机器人可以读取这些命令来移动,发出声音和闪光灯(Elkin,Sullivan,&Bers,2014)。

  看完这些案例,你们对早教阶段的儿童学习什么样的计算机科学知识以及如何去教,有一些想法了吗? 这些内容或许可以 帮助各位有兴趣的老师、家长在开展幼儿早期的计算机教学启蒙。

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