2019年《CSTA K-12年级计算机科学标准》的内容变化研究

摘 要：随着信息技术与互联网的迅猛发展，计算机以及计算的概念、工具和方法的应用逐渐深入人们的工作、生活和学习的各个方面，对于计算机及其相关技术的掌握一定程度上决定了人们工作和生活的质量与效率，计算思维的重要程度逐步提升。文章主要分析2019年《CSTA K-12年级计算机科学标准》内容特点以及2019年与2016年《CSTA K-12年级计算机科学标准》内容的变化。

关键词：计算机科学标准;计算思维;K-12

0 引言

随着数字与信息技术的快速发展及其技术成果的应用，计算的概念和方法等深入人们的工作生活，而人们对计算的理解与掌握影响着学习、工作和生活的质量效率。计算机科学的重要性与地位逐日提高，美国计算机科学教师协会（CSTA）標准修订工作组于2016、2017和2019年发布《CSTA K-12年级计算机科学标准》，提出计算机科学教育的具体内容，其中包括5个核心概念和7个核心实践内容，明确计算机科学这门学科应该掌握的知识与技能，培养学生的计算思维与数字信息素养。

1 计算机科学标准提出的背景

现代科学的形成与发展不断改变着人们的生活方式，同样渐渐转变着人们的认知结构与思维特征，利用计算机等数字工具拓展人类思维、处理问题事务成了信息时代“数字移民”日常工作和生活中不可或缺的一部分，更是伴随数字技术成长起来的“数字土著”最习惯的生存方式[1]。随着社会信息化与数字化程度不断加深，计算机在社会各个方面得到广泛应用，计算思维与信息技术的作用越来越突出。

计算思维是计算机科学实践的核心，是21世纪数字公民的一项基本素养[2]。计算思维关注利用计算机科学解决问题的能力，这种能力既表现为“结构分解、实体抽象、模型建设”等应用特征，也包括“明确问题、设计方案、实施反馈、修订完善”等一般性解决问题方法[3]。计算思维要求运用计算机等计算设备对问题进行分析处理，形成能够用计算机编辑与呈现的方式表述问题的解决方案与过程。发展计算思维的最有效的方法是学习计算机科学，它们是内在联通的[4]。

2011年为了促进公众对计算机科学这一专业领域的理解，使计算机科学和K-12年级教育的其他学科保持同样的进度，美国计算机科学教师协会（CSTA）公布了《CSTA K-12年级计算机科学标准》，这一文件为K-12学段的计算机科学教育提供了综合全面的标准，从计算思维、合作、计算实践与编程、计算与通信设备以及对社区、全球与伦理的影响这5条主线分别论述了计算机科学教育的主要内容[5]。此标准为学生提出学习计算机科学课程的具体要求以及在每个阶段结束前应该掌握的知识内容与技能，培养计算思维。

2 《CSTA K-12计算机科学标准》的内容特点

《CSTA K-12计算机科学标准》通过“计算机系统、网络与互联网、数据与分析、算法与编程、计算机的影响”5个核心概念明确了学生所需学习的计算机科学知识，提出在学生掌握计算机科学相关知识后实现核心概念的具体实践，包括“形成包容性的计算文化、围绕计算机展开合作、确认并定义计算问题、发展与应用抽象、创造计算机作品、测试并改进计算机作品、关于计算机的交流”7个核心实践。同时学生应了解什么是恰当的网络行为，理解计算机对人际交流的重要意义[6]。

2.1 对知识产权的重视

各个年级的标准细则都强调对知识产权的尊重。计算机科学标准的实践内容包括创造计算机作品，在培养学生创造能力的同时更注重培养学生的信息素养与道德。标准在各个年级都要求学生在使用别人的想法和作品时要标明引用出处，不得未经允许擅自使用他人的创作成果和贡献。随着年级的升高标准对知识产权与出处引用的要求更加具体与详细。

2.2 培养学生分解问题的能力

分解较大复杂问题的能力体现学生计算思维的发展，学生在实际学习过程中会面对各种待解决的问题，许多问题不是以简单的形式存在的，常常需要较多时间分析和处理。将难以解决的大型复杂问题分解成一个个简单、易于管理和分析的部分问题逐一解决，训练学生为各个部分的问题提供解决方案，既能提高效率，又能培养学生的组织与逻辑思维能力。

2.3 培养学生的术语描述能力

任何学科都有其特定的术语，由于计算机应用的广泛性，学生对计算机及其相关技术并不陌生，但学习计算机科学这门学科，则需要使用专业术语对使用的设备、使用过程中作出的决策和想法等内容进行描述和表达，有利于理解和描述。

2.4 注重培养学生编程能力

在计算机科学学科的5个核心概念中，算法与编程概念下的标准条目是最多的。编程是操作计算机的重要方式之一，学生学习编程、设计算法、建模与模拟、开发与完善程序，将问题和解决方案通过计算机能够理解和表达的方式直观展现，体现了学生对计算思维的掌握与应用。学生学习编程的相关知识并通过独立或协作的方式设计开发程序，完成特定学习任务。值得注意的是学生学习编程是一种手段，目的是在编程的实践过程中发展计算思维，培养组织能力、逻辑思维以及独立思考解决问题的能力。

2.5 培养学生网络安全意识

存储在计算机设备上的信息可能涉及私密性和重要性的问题，网络将分布在不同位置的计算机设备连接起来，促进了全球范围内的交流与合作，但同时也增加了信息泄漏等风险。网络上的病毒与恶意攻击随处可见，学生需要识别网络世界中的潜在威胁，建立信息及隐私的保护意识，学习各种信息安全措施保护设备和信息免遭未授权的访问与病毒的侵袭，学会像在现实中保护财产安全一样的保护信息安全的方法。

3 2019年相比2016年《CSTA K-12年级计算机科学标准》的变化

从数量上说，如表1、表2所示，2019年《CSTA K-12年级计算机科学标准》（以下简称“2019年标准”）的总条目及其各概念条目在各年级所占的数量较2016年《CSTA K-12年级计算机科学标准》（以下简称“2016年标准”）条目有着减少的趋势，标准中的5大概念分别用其英文首字母表示：计算机系统（C）、网络与互联网（N）、数据与分析（D）、算法与编程（A）、计算机的影响（I）。

从内容上说，如表3—4所示，2019年标准格式相对于2016年标准格式进行了调整，以两年标准第一条内容为例，2019年标准新增了一列内容：“子概念”，将5个概念内容更加具体地分类，利于学生的分析和理解;将实践内容加入具体标准条目，“实践”下的内容为具体实践的关键词;在具体内容中对标准细节增加了解释说明和列举案例。

2016年标准对5个概念是按照算法与编程、计算机系统、数据与分析、计算机的影响、网络与互联网的顺序来描述的，2019年标准的内容顺序则是计算机系统、网络与互联网、数据与分析、算法与编程、计算机的影响。

2019年标准条目总体来说是在2016年标准条目基础上进行了精简与完善，两个表格中总量和数据与分析概念中的条目数量变化较大，2019年標准相比2016年标准的变化主要从各年级阶段各概念下要求内容的变化来分析。

3.1  1A阶段标准条目变化内容

在计算机系统概念下，由要求学生拥有选用软件的能力发展为强调软件使用的目的性以及在选择的过程中所进行的需求思考。根据7个实践的要求，学生在未来需要创造计算机作品，而作品是面向受众的，这就要求学生在最初选用他人创造的作品时思考自己的需求和偏好，进而认识到考虑不同受众的特点来创造作品的必要性，实践由关于计算机的交流变为形成具有包容性的计算文化，让学生在初步接触计算机科学知识时考虑得更全面。

在网络与互联网概念下，由两条内容缩减为一条内容，重点描述网络安全内容，强调认识并使用密码保护设备信息安全。

在数据与分析概念下，由将收集到的数据组织成图表图形的形式发展为多种可视化格式呈现数据，不只局限于图表与图形，而是要求学生使用多种格式呈现收集到的数据;由创建模型识别模式和元素改变为识别并描述模型，不要求学生在此阶段学习中自己创造出模型，但要能够识别各种可视化模型并且恰当地描述模型。

在算法与编程概念下，2019年标准内容未提及使用编程语言构建程序，只要求学生使用序列与简单循环开发程序，编程语言对此阶段学生来说过于复杂;内容不仅仅要求学生使用数字或其他符号表示数据以及构建算法，而是通过对其方法与过程进行建模，掌握运作的基本方法;不只要把大问题分解为小问题，还要对解决问题的步骤进行分解，并正确描述在程序开发过程中的决策。

在计算机的影响概念下，由一条文化方面内容增加为涵盖文化、社会互动、安全法则与伦理道德的三条内容，计算机技术带来的影响不仅仅存在于改变生活工作方式这一方面，人们在使用计算机技术时所应有的态度以及面临的不同安全问题也因技术的发展而有所改变，在此阶段要求学生对计算机的影响进行多方面多角度的认识。

3.2  1B阶段标准条目变化内容

在计算机系统概念下，由对计算机系统工作方法的建模发展为更具体的对计算机组件协同工作方法的建模，建模方向更加明确，实践内容由关于计算机的交流新增为帮助学生发展与应用抽象。

在网络与互联网概念下，2016年标准要求学生掌握的密码知识由1A阶段的使用密码发展到1B阶段使用高强度密码以及如何保护密码，而2019年标准在1A阶段已明确要求学生使用高强度密码并且恰当应用，在1B阶段则发展为探讨网络安全问题以及使用包括高强度密码的其他几种保护个人信息的方式，此阶段的学生易于了解密码的使用，并且应该尽早学习更多的网络安全知识;实践内容由关于计算机的交流新增为确认并定义计算问题。

在数据与分析概念下，由三条内容缩减为两条，由创造作品、构建模型发展为强调学生对数据的呈现与使用，从而通过对数据的观察与分析，达到提出并支持想法、表明关联性的目的，明确此阶段学生对数据收集与分析的具体要求，实践内容发展为以进行关于计算机的交流为主。

在算法与编程概念下，2019年标准内容新增对多个算法进行比较选择，为所需要完成的任务挑选合适的算法，这些算法可以是已有的，也可以是学生自己编写的;将使用数学运算改变变量值的操作包含到学生创建的程序中，并且编程语言在此阶段也并未被提及;内容新增对现有程序进行编辑与混合，形成新的功能，并且在迭代开发过程中不仅需创建计划，还要汇集不同使用者的反馈;引入知识产权概念，进一步强调标明引用出处的重要性;将2016年标准内容一些条目下重复提到的通过独立和合作的方式合并成一条内容，在程序开发的过程中要求学生学会合作解决问题，根据教师指导担任不同的角色，发挥各种各样的作用;内容新增直观描述程序开发过程中做出的决策，以便他人更好地理解学生创建的程序。

在计算机的影响概念下，由通过集思广益让用户轻易访问计算机设备发展为要求学生理解头脑风暴这种方式，不只是要提高易访问性，而是更加具体地理解不同使用者的不同需求，从而提高易用性与适用性;具体提出对创作资料的使用问题，强调作品版权的重要性。

3.3 2 阶段标准条目变化内容

在计算机系统概念下，由选择软硬件与识别计算机组件性能的关联性发展为通过对人机交互的分析，在充分使用了解现有设备后，思考如何改进计算机设备或根据不同需求和期望设计合适的设备;此阶段开始要求学生设计创造项目作品，从多方面多角度对项目所需的软硬件进行选择。

在网络与互联网概念下，由两条内容新增为三条，新增内容提出对协议的作用进行建模，以及使用多种加密方法对信息安全传输进行建模，了解保护电子信息的物理与数字安全措施，重视网络安全的要求。

在数据与分析概念下，由四条内容缩减为三条内容，条目内容变化不大，新增根据生成的数据改进计算模型。

在算法与编程概念下，2019年标准在1B阶段已经提出对解决同一个问题的不同算法进行比较和选择;将解释算法执行流程与解决复杂问题联系起来，并要求学生使用迭代设计过程开发包含嵌套循环与复合句的程序;内容新增使用参数创建代码以便再次使用，由征求同学们的意见发展为征求团队成员和用户的意见来改进解决方案，通过系统测试改进程序，要求学生进行合作，明确任务分配，有计划地遵循时间表并在计划时间内完成作品的开发，并在开发过程中编写文档以便记录与理解。

在计算机的影响概念下，2019年标准内容具体描述通用访问阻碍，要求学生讨论技术设备中的问题，探讨技术带来的正负面影响;在网络上与贡献者通过各种策略协作创造作品，实现全球交流与合作;描述具体道德问题，信息公开与否的权衡。

3.4  3A阶段标准条目变化内容

在计算机系统概念下，2019年标准新增内容要求学生在计算机系统中理解并解释抽象，从抽象和交互方面比较计算机系统内部层级，形成能为自己和其他人所用的系统化故障排除策略。

在网络与互联网概念下，2019年标准内容要求学生具体了解敏感数据易受攻击的实例，对潜在的安全问题加以思考;为学生所要讨论和比较的内容加入具体的条件和范围，考虑效率等因素推荐安保措施、根据计算机系统可用性和安全性来比较安保措施;由举例说明计算机网络基本组件发展为在描述基本组件间关系的基础上评价网络。

在数据与分析概念下，由对各种数字信息表示方式的分析与选择发展为根据对成本、速度等因素的考虑，分析信息的组织方式和存储位置之间的选择问题;由应用技术定位收集数据发展为在收集数据集的基础上，创建计算模型，表示在真实世界现象或系统中收集到的数据元素间的关系;2019年标准新增内容要求学生创建数据可视化模型，同时这种交互式模型也能帮助其他人更好地理解现象。

在算法与编程概念下，2019年标准内容新增要求学生通过创建原型产品，了解反馈及可行性，结合反馈评价改进计算作品;要求学生在开发复杂程序时使用各种方式记录过程和步骤以及决策;由使用预定义结构分解复杂问题发展为使用程序、模块或对象等结构系统分析分解复杂问题;要求学生由对各种软件许可方案进行对比和比较发展为要求学生在使用资源时评价限时使用的许可证，思考许可证对学生要创造的作品的影响;由证明抽象对于管理问题复杂性的价值发展为具体要求学生使用列表简化方案归纳问题。

在计算机的影响概念下，由重新设计用户界面发展为要求学生测试改进计算作品以减少偏见和不公平性;由讨论在人类行为和文化方面计算的影响发展为评价计算对个人、伦理等方面产生的影响;2019年标准新增内容要求学生评价隐私的影响，阐明与收集数据有关的隐私问题;使用协作工具，从各方各面收集反馈，缩短不同背景与职业的人之间的距离;由讨论与计算机实践活动相关的社会和经济影响发展为重点强调讨论知识产权法对创新的影响，要求学生了解知识产权法的相关内容。

3.5  3B阶段标准条目变化内容

在计算机系统概念下，由解释操作系统的作用发展为对操作系统软件作用进行分类，在分类的过程中学生会首先了解操作系统软件的作用，从而对其进行归类;由识别硬件组件功能和联系发展为说明具体的硬件组件的工作方式。

在网络与互联网概念下，由模拟并讨论影响网络功能的问题发展为仅将问题描述清楚;新增内容要求学生对开发者保护设备和信息安全的方法进行比较和讨论，重视网络安全问题。

在数据与分析概念下，由六条内容提炼为三条内容，要求学生在数据收集与分析问题上使用数据收集与分析工具和技术识别模式和生成数据集。

在算法与编程概念下，大部分内容没有变化，由通过参与团队演示软件生命周期过程发展为使用软件生命周期流程来规划开发程序，更进一步要求学生识别流程并能用来开发程序;对大型问题的讨论与描述在学生学习分解和分析大型问题的过程中就有涉及。

在计算机的影响方面，由制定计算机创新影响的评价标准发展为评价计算机作品达到最大限度发挥益处并减少有害影响，计算机创新最直观的产物就是计算机作品，通过评价计算机作品，规避有害影响。

4 结语

计算机科学教育的发展是我国信息技术教育事业面临的一个重要课题，对此问题，学者们从不同角度进行了研究和实践，提出了诸多建设性的建议。笔者以此作为出发点，分析2016年与2019年《CSTA K-12计算机科学标准》内容，探索两年标准内容之间的差异性与变化趋势，概括出其中很有借鉴意义的几个方面，寻找其标准适用于我国信息技术教育课程标准的参考点。

[参考文献]

[1]任友群，隋丰蔚，李锋.数字土著何以可能？—也谈计算思维进入中小学信息技术教育的必要性和可能性[J].中国电化教育，2016（1）：3.

[2]赵蔚，李士平，姜强，等.培养计算思维，发展STEM教育—2016美国《K-12计算机科学框架》解读及启示[J].中国电化教育，2017（5）：47.

[3]李锋，王吉庆.计算思维教育：从“为计算”到“用计算”[J].中国电化教育，2015（10）：6-10.

[4]卢蓓蓉，尹佳，高守林，等.计算机科学教育：人人享有的机会—美国K-12计算机科学框架的特点与启示[J].电化教育研究，2017（3）：14.

[5]赵中建，周蕾.作为一门学科的计算机科学—美国《K-12年级计算机科学框架》评述[J].全球教育展望，2017（4）：53.

[6]钱松岭，董玉琦.美国中小学计算机科学课程发展新动向及启示[J].中国电化教育，2016（10）：85.

（编辑 王雪芬）

Content changes of CSTA K-12 Computer Science Standard in 2019： compared with 2016

Zhang Ruining

（Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

Abstract：Nowadays，with the rapid development of information technology and the Internet， the application of computing and computing concepts， tools and methods has gradually entered all aspects of people’s work，life and study. To a certain extent， the mastery of computer and related technologies determines the quality and efficiency of people’s work and life， and the importance of computational thinking is gradually improved. This article mainly analyzes the characteristics of the content of the CSTA K-12 Computer Science Standard in 2019 and the differences in the content of the CSTA K-12 Computer Science Standard in 2019 and 2016.

Key words：computer science standard; computational thinking; K-12

作者簡介：张芮宁（1995— ），女，辽宁沈阳人，硕士研究生;研究方向：信息技术与学科教学。