全民學編程，從娃娃抓起：美國已經開始這麼做了

全球各個創新中心都急需大量具有編程能力的技術人員，美國總統奧巴馬也在極力促成各地學生學習編程，但是教師資源短缺和學生水平參差不齊，都是擋在美國教育新戰略前面的巨大障礙。

撰文?安妮 · 墨菲 · 保羅（Annie Murphy Paul）?

翻譯?輔平萍

艾莉（Allie）和勞倫（Lauren）在加利福尼亞州洛思阿圖斯市羅耀拉小學讀6年級，她們在第5期課程開始前2分鐘，就蹦跳著跑進了希娜·維迪雅南森（Sheena Vaidyanathan）的教室。她們一直在和班上的另外兩位小夥伴威廉（William）、布萊克（Blake）比賽——看看誰最早進入編程教室。

從小學生開始

這兩名女生坐在一排嶄新的台式蘋果電腦前，立馬做起了維迪雅南森布置的作業：找出某一電腦程序中的錯誤，然後修正錯誤。這是一種十分重要又很費力的工作，專業工程師的大部分時間都在做這件事。

上課鈴響後，學生們拖著腳步陸續走進課堂。身材嬌小的維迪雅南森臉上帶著微笑，熱情友好地歡迎他們。

「V老師，今天我們要做什麼呢？」有個男生一邊走進教室一邊問。維迪雅南森回答說：「今天我們要修復一個程序的漏洞。」

「太棒了！」他大喊一聲，奔向一台電腦。普及編程教學的擁護者自然希望這種現象能夠遍布全國。在這些擁護者中，除了有渴望僱到新一代工程師和程序員的商業領袖，還有希望美國在全球經濟中保持競爭力的政府官員。今年年初，微軟創始人之一比爾·蓋茨（Bill Gates）就發推特說，「在21世紀，每一名學生都應該有機會學習必備技能——編程。」很多人都和蓋茨一樣，堅信編程是一項新的認知能力，與閱讀、算術一樣重要。馬克·普林斯基（Marc Prensky）是一名作家兼演說家，他創造了「數字母語者」（digital native）這個術語，在2008年的一篇文章中他寫道：「我相信，現在區分一個人有沒有文化，就看他會不會編程。」

擁護者們都強調，現在需要很多懂電腦編程的人，從事這個領域也更有可能獲得晉陞，他們表示，這些機會在未來幾年還會持續增加。

奧巴馬政府的官員為美國計算機科學教育的未來勾勒了一幅宏偉的藍圖：一是美國學生與別國學生齊頭並進——他們指出，早在2014年英國就要求每一名學生都學習編程了；二是在所有學生平等接受編程教育的情況下，有助於減少富有的白人學生與少數族裔和條件困難的學生在成績上的差距。

然而，要想達成目標並不是一件容易的事。在全美學生中普及編程教育還面臨著嚴峻的後勤挑戰，上到缺少合格教師，下到缺乏課程資料。由於美國的學校系統是分散的，要實施全國性改革十分艱難。而且，大多數學校至今都沒有更新適應信息時代的守則與規範（比如，修讀計算機科學課程通常不是理科生畢業的條件之一）。同時，來自不同民族、不同社會經濟背景的學生，具備的計算機能力也相差巨大。調查顯示造成以上現象的原因是：學校在向富裕的白人學生講學時，通常會深入指導，教授有實質性的內容；而面對非白人學生和低收入家庭的學生時，就只會給予非常粗淺的指導。

而且，越來越多的人認為，編程技能只是美國學生準備在應對21世紀的生活和工作時，需要掌握的一小項本領。編寫代碼是計算機科學的實踐形式，但是學生也需要了解理論知識，理解計算機操作的根本原理。普及「計算思維」也要求校內校外雙管齊下：在校內則是培訓教師、改進課程、將計算機科學融入到其他學科中、更改畢業要求；在校外進行課外活動、搜集課外資源。

資源還不充足

維迪雅南森擁有計算機科學碩士學位，已有7年的教學經驗，在「每一名學生都應該學習寫代碼」的設想提出時，她就已經表示支持了。她說：「我所說的『每一名』指的是所有女孩、男孩、特殊教育學生以及那些自認為學不好理科的學生。」不過，與很多人不同，維迪雅南森用現實主義調和了她的熱情。在一次班級間的談話中，她指出，實現這個誘人的目標存在很多障礙，「首先，我們沒有足夠的計算機科學教師。」

據計算機科學教師協會（CSTA）的調查，目前絕大多數美國高中畢業生甚至連一門計算機科學的課程都沒有修讀過。只有四分之一的美國學校安排了包括編程在內的計算機科學課，只有5%的高中具有開設計算機科學預修課程（AP）的認證資格。美國目前還沒有受過全面培訓、準備十分充分的教師團體，而且，維迪雅南森堅持認為，以人為本的老師才是學生需要的。「如果學生正在學習有意義又有挑戰性的事物，他們很可能卡在某個難點上，」她說，「這時，學生需要一位了解他們的老師，能以一種通俗易懂的方式為他們答疑解惑，也能讓他們從師生關係中體會到鼓勵和支持。而可汗學院是做不到這一切的。」

美國不僅缺乏計算機科學教師，也沒有經過一致同意的計算機科學課程。CSTA已經為幼兒園到高三的學生設置了一套標準，但是內容非常寬泛（6年級到9年級的學生應該「開始重視計算機技術的普遍運用，了解計算機科學是如何促進交流與合作的」），這意味著，像維迪雅南森一樣的教師都是自主決定授課內容，以及如何教導學生的。現在的數學和閱讀測試難度都很大，導致計算機科學經常被忽視。維迪雅南森說：「對那些非必修的課程而言，課程表中已經沒有更多的位置來安排它們了，而且學校的經費也不夠。」

在成為洛思阿圖斯學區的計算機科學教師，以及科學、技術、工程、數學（STEM）項目專家前，維迪雅南森是信息技術巨頭優利系統公司（Unisys）的軟體工程師，隨後她還在2家矽谷的初創公司工作過。技術行業的經歷使她強烈地意識到，應該把每一位學生都培養成具備職業資格的程序員：「學習編碼的基本知識和充分掌握相關知識並且把知識應用在專業的編碼工作上，這兩者之間存在很大的不同。」正是橫亘在兩者之間的巨大鴻溝促使維迪雅南森決定，要推動她所在學區的幼兒園教授編程課程。「學習編程和學習一門外語一樣，」 維迪雅南森解釋說，「我們不指望學生能講一口流利的法語或西班牙語，因為他們上了高中才會接觸幾學期的外語課。」

如何把編程教育推廣到富有白人及亞裔社區以外，才是巨大的挑戰。維迪雅南森的學生開始學編程時，已經有了無數的優勢。他們走進課堂時就已經知道了計算機的相關知識，了解它們如何運作；有些人已經在家或者課外拓展活動中著手學習編碼了。他們就讀的公立學校開設的編碼課程也受到了基金會的支持。基金會從學區的學生家庭籌集資金，用於提高教學。學區的各所學校位於矽谷的中心地帶，可以獨立置辦全套台式機和平板電腦，大多數學生家長在附近的谷歌、蘋果、Facebook總部上班。

因此，他們在生活中潛移默化地指引著學生，讓學生走上機會眾多的發展之路。而在個人偏好與能力的基礎上，這些備受矚目的學生在計算機課堂上（日後，則是在科技行業與計算機科學領域）表現得很棒，就像經過了「自然選擇」過程一樣。

簡·馬戈利斯（Jane Margolis）熟悉這種假設與推論：學習寫代碼是貧困學生和非白人學生不敢想的事。馬戈利斯是加利福尼亞大學洛杉磯分校教育與信息研究生院的高級研究員，負責集中研究洛杉磯3所不同公立高中的計算機科學教學。2008年，她和合作者在自己研究的基礎上，寫成了《淺灘擱置：教育、種族與計算》（Stuck in the Shallow End: Education, Race, and Computing）一書，書中解釋了她和合作者們提出的「虛擬種族隔離」，這令人感到非常不安。

他們發現，去富裕社區上學的學生更有可能大面積接觸計算機科學相關的內容——在學術意義上具有挑戰性、創新性和合作性的課程。相反，貧困學生和非白人學生只能使用簡陋的設備，接受最基礎的計算機教學（類似「剪切複製」操作）。

即使這些貧困學生和非白人學生所在的學校擁有了足夠的設備，也存在「有設備，沒課程」的問題。用馬戈利斯和同事的話說，這裡的計算機科學教育不夠成熟，有很多缺陷，比如，沒法為學生提供連續性的課程，讓他們擁有有效的學習體驗，也沒有提供深入的、明確的指導與支持。馬戈利斯和合作者認為，課程內容不能以偏概全，而要因材施教，但也必須考慮兩個群體受到過的教育。他們還說，這兩個群體非常不一樣，他們的平台完全不在同一高度，分歧太深太大了，這些人根本就生活在兩個不同的世界。富有的學生理所當然地認為他們能夠輕而易舉地熟悉計算機操作，而處於劣勢的同齡人卻完全不敢這樣想。馬戈利斯告訴我，真正平等地得到計算機科學教育，是21世紀每一位公民都需要關注的問題。

發現了這種極其不公平的形勢後，馬戈利斯說：「我們覺得必須做點什麼來改變現狀。」因此，她和同事設立了一個從幼兒園到高三，再到大學都適用的項目——「探索計算機科學」（ECS）。這個項目為學習計算機科學的高中生開設了入門課程，還為洛杉磯聯合學區（現在已經擴充到將近24個學區了）的教師提供了專業發展的機會。參與項目的教師將學到如何提供嚴格但具有吸引力的計算機科學教學。目前，加入項目的老師在不斷增加，他們還能通過互聯網相互合作。而其他組織（包括「黑人女孩學編程」和「黑客社區」在內），則集中精力利用校外時間開展活動，比如設立周末工作坊和暑期訓練營。馬戈利斯和她的團隊希望為處境艱難的學生服務，他們發現經濟和後勤問題經常讓這些學生無法利用課外機會學習。

南希·塞（Nancy Se）也決定參與其中。2013年，塞參加ECS項目的培訓後，成為了ECS的「教師主管」，幫助其他老師學習如何讓學生深入參與計算機科學課程。塞在洛杉磯的奧古斯都·F·霍金斯（Augustus F. Hawkins）高中任教，學生都是非裔美國人或者拉丁美洲人，75%的學生都是「經濟困難生」。塞清楚地知道，讓「全體學生學習編程」面臨的挑戰正在一天天逼近。「大多數學生家裡都沒有電腦，」她說，「他們接觸互聯網的唯一途徑就是用來玩遊戲、發簡訊的手機。」

塞的學生接觸科技的機會太少，有很多方面都需要顧及到——不僅要學習計算機的各種功能，還要了解人類設計機器並為之編程的歷史淵源。在塞看來，最大的問題是，學生們必須改變他們對計算機科學的刻板印象。「對於一些高中學生來說，相對於他們的家庭出身和自我身份認同，用計算機工作，知道如何編碼，這些事情是非常陌生，甚至怪異的，」塞說道，「在我的班裡，我和學生不僅要專研這門學科，還要學會重塑自我認知，從而應對如潮流般湧來的文化衝擊。」在翻看高三學生所寫的文章時，塞特意指出其中一篇，在那篇文章中，學生表達了能為自己和孩子獲取穩定收入的希望。「在學習計算機科學之前，我從來沒想過自己會涉入甚至主修這個領域，」這名學生寫道，「作為一個想為孩子提供一個舒適環境的單身媽媽，我也認為做一份自己熱愛並能提供穩定經濟來源的工作非常棒。」另一名學生寫道，「經濟困難充斥著我的生活，然而，我是不會讓有限的資源拖垮自己的。相反，這會激勵我通過學習走向成功。我渴望有一天能成為動漫製作人，達到平均年收入50281美元的標準。我立志結束現在的經濟困境，能自己照顧全家」。

的確，推廣編程教育常用的一個理由是，缺乏編程經驗的年輕人很難踏入一些高收入的行業。但是許多批評家認為，狹隘地將精力投入到學習某項專業技能（例如編程）也不是長久之計。斯坦福大學教育學名譽教授拉里·庫班（Larry Cuban）提到了上世紀七八十年代，美國用早期計算機標記語言做的試驗。這項試驗由麻省理工學院教授西摩·佩珀特（Seymour Papert）領導，他們發現，教導學生學習標記語言的努力付諸東流。庫班說，這是因為這項教學沒有給學生傳授他們真正需要的計算機知識。庫班預言，「全體學生學習編程」的運動也會無果而終，並認為，這場運動是商業領袖推動學校開展的，他們清楚地知道：這是一場「紙巾改革」，「用了一兩次之後，就會被撕碎扔掉。」

如果編程教學不是最終的答案——或者說不全是——那什麼才是答案？珍妮特·M·溫（Jeannette M. Wing）認為答案是：計算思維。溫是卡內基梅隆大學計算機科學諮詢教授，也是微軟研究院的全球副總裁。2006年，她在一本雜誌上發表的一篇文章迅速成為經典之作。她大膽宣稱：「計算思維是每個人的基本技能，不單單屬於計算機科學家。這種思維模式是先理解計算機科學基本概念，然後將它們應用在解決問題、設計系統和理解人類行為等方面。」

「計算思維包括抽象能力、邏輯推理和符號推理能力，以及拿下一個大難題，將它分解為若干小問題的能力，」溫說，「不管有沒有使用電腦，這些技能每個人都會用到。」

溫在文章中寫道，「為了更好地閱讀、寫作以及運算，我們應該讓每個小孩都具備計算思維。」艾琳·歐文斯（Aileen Owens）是一位教育家，她看到了溫的呼聲。歐文斯採用溫的想法，把計算思維作為課程的重點部分，用在了匹茲堡附近的南費耶特鄉學區，她是那裡的科技與創新理事。在歐文斯眼中，培養計算思維要儘早開始，通過一系列分層次的、相關的項目進行，逐步深入，不斷加深難度。

在南費耶特，從幼兒園到2年級的學生都會用一種模塊化的編程工具，學習這些工具背後的原理。利用「喵爪」（Scratch）程序，學生們可以拖放一些指示模塊，例如「移動10步」，「等待5秒」，「左轉90度」等。用精確的順序排布這些指示模塊，學生就能夠使屏幕里的對象按要求做出反饋（一個卡通形象會向前進，再停下，然後左轉），於是，他們就能大體了解電腦是如何接收指令的。指令的內容會隨著學生年齡的增大而變得複雜。3年級到5年級的學生會給發動機和感測器設計程序，搭建可以受程序控制的樂高機器人。6年級到8年級學生會學習計算機輔助設計（CAD）；學生利用CAD軟體設計自己的發明，再用3D印表機製造出原型。上7年級時，學生所學內容從基於模塊化的編碼轉變為基於文本的編碼，這就和專業程序員一樣，使用更為複雜卻更靈活的語言來編寫代碼。

「每一階段的目標都是鞏固計算思維，只有這樣，才能在前一個水平的基礎上向上發展，」歐文斯解釋說，「這不止是編碼那麼簡單。這是一種思維習慣的教育，這種思維習慣可以用來解決任何領域的問題。比如，把一個大問題化解成若干個小部分；進行若干小型實驗，從而得知哪些方法會失敗，哪些方法會成功；與他人合作，共同想出最好的主意。」在不同環境下採用這些策略，可以讓學生明白計算思維遠比計算機更有用。

即使最小的孩子也能學到這種思維習慣。「我們正在教小孩攻克難題，讓他們有邏輯地思考、抽象思考、找出模式、辨認替代物。」梅利莎·昂格爾（Melissa Unger）說。她是南費耶特學區幼兒園到2年級學生的科學、技術、工程、藝術和數學（STEAM）老師。「我們首先解決的問題是，『什麼是指令？如何下指令才能讓電腦知道你想讓它做什麼？』我們讓學生給自己的同學『編程』，舉起標有箭頭的卡片來指導他們走出迷宮。」

和洛思阿圖斯一樣，南費耶特是一個富有、教育水平較高的社區，在匹茲堡新興科技產業區工作的專業人士和許多在附近大學任教的教授都居住在這裡。但是，正如華盛頓州肯特市的伊克賽爾公共特許學校所提出的那樣，計算思維可以教給所有孩子。伊克賽爾招收的學生群體中，37%是非裔美國人，19%是拉丁美洲人；超過一半的學生可以享受免費或減價午餐。儘管學校離科技巨頭亞馬遜和微軟公司所在的西雅圖只有幾十千米，但伊克賽爾的學生仍然感到無法進入計算機世界。

伊萊·謝爾登（Eli Sheldon）是這所學校的計算思維項目負責人，他打算改變這種狀況。「我和老師們一起計劃，希望把他們教授的課程（不管是英語、數學還是生物）與計算思維結合起來，」謝爾登說，「讓學生在不同課程中使用相同的思維工具，就會使他們意識到這些工具是普遍適用的，即使到了校外也能用。」謝爾登和一名數學教師合作，創立了一個分析職業籃球比賽中運動員移動數據的班級團體；他還與一名人文學科教師合作，通過分析刑事審判系統，開展互動案例研究。

計算思維教學的擁護者認為，這種教學方式具有很多單純的代碼教學所不具備的優點：內容豐富、知識有深度；可以給學生一套靈活的思維工具，可以用在很多場景中；不論是在學校，還是走上了工作崗位，教給學生的知識和技能都長期有用。

在進入伊克賽爾學校之前，謝爾登在微軟擔任了4年的項目經理，在那裡他見證了在現實世界中運用計算思維。「我看見工程師們接手了一個個無比複雜的難題，然後用計算思維解決了它們，」謝爾登說，「工程師們對拆分難題真的非常在行。他們會把各個部分按邏輯排列，每次測試其中一個部分，看看這一小部分的變化如何影響結果。我觀察著他們，心想『世界上每個人都應該知道如何運用這種方法』。」

美國普及計算機科學教育的行動仍在持續發酵。白宮科技政策辦公室負責學習與創新板塊的副理事庫馬爾·加格（Kumar Garg）也在推行這項行動。他解釋了為什麼這類項目可能會取得成功：「奧巴馬總統就職時，只有11個州同意將計算機科學課程納入畢業條件，」加格說，「之後，情況發生了翻天覆地的變化，另外28個州和華盛頓特區都同意將計算機科學課程歸入理科生畢業要求。」加格還稱讚了預修計算機科學課程的「重啟」政策，這項措施也將由相關大學委員會著手籌辦。新課程與考試將重點放在編程和計算機科學基本原理上。「學生需要了解計算機科學的基本原理，不過，編程才是幫助學生明白這門課程內涵的方式。」他解釋說。

加格說，在奧巴馬政府提出「全民學習計算機科學」（Computer Science for All Initiative）的倡議下，政府要求學區提交擴展計算機科學教學方式的五年計劃；政府會對計劃精良的學區發放實施經費。當然，一些學校並不會等聯邦政府走完緩慢的程序後再啟動計算機科學教育的創新；然而，也有學校還沒有準備設立這門學科。這種情形不禁讓人想起科幻小說作家威廉·吉布森（William Gibson）的警句，他的作品探索了人類與科技之間的相互影響。吉布森已經看到了，「未來已然來臨，只是分布還不均勻。」

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