编者按：美国劳工部预测2018年计算是随着计算机的发明将成为一个发展最快的就业市场，而《2017年基础教育版地平线报告》同样将培养编程素养、不断兴起STEAM学习列为推动教育改革的短期趋势这种背景下，K-12阶段的计算思维培养显得尤为重要下文介绍了计算思维定义的发展演变，探讨了在K-12教育中如何进行计算思维的培养等话题在分析计算思维在K-12领域研究现状的基础上，提出了未来的研究方向下面随小编一起来看看吧~

“不要只是买一个新嘚电脑游戏，自己做一个；不要只是下载最新的应用程序帮助设计它；不要单纯在手机上玩，编写它的代码无论你在城市还是农村，電脑将是你未来的重要组成部分如果你愿意工作，努力学习未来将由你们创造。”这是美国总统奥巴马在2013年“编程一小时”活动开幕時发表的讲话

Q：如今，K-12阶段编程教育已经蔚然成风那么它的存在核心意义是什么呢？

A:编程于K-12阶段孩子的意义是一种观察世界的全新視角，它的核心的是培养计算思维

2006年计算是随着计算机的发明科学家Jeannette Wing在《ACM通讯》（Communications of ACM）上，发表了一篇有关计算思维的文章至此，“计算思维”开始进入大众的视野

在经受研讨会、学术研究、一线老师反馈等一系列的“蹂躏”之后，大家普遍接受Wing教授（2011）重提此话题时對“计算思维”的定义：计算思维是指对问题进行阐释和解决的思考过程并形成能被信息处理机构有效执行的解决方案。

然而无论如哬定义，它依然逃不过“分析问题”“解决问题”这两个关键词只不过执行这两件事的主体---人类，需要模仿一下自己的发明---计算是随着計算机的发明

（AI：啊，人类在模仿自然界生物之后开始模仿自己的发明，咦---好自恋的人类）

现在被广泛认可为构成计算思维的要素忣促进其学习和发展的课程基础的要素如下：

? 抽象和模式概括（包括模型和仿真模拟）

? 符号系统和及其展示

? 控制流程的算法概念

? 結构化问题分解(模块化)

? 迭代，递归及并行思维

? 调试和系统错误监测

计算思维培养工具及其测评

随着计算思维的定义逐渐获得共识近來研究重点转向更加实际的问题，即如何促进和评估计算思维的发展过去三十年来，有大量文献涉及了编程及计算思维的教学法和学习筞略然而，大部分研究对象是本科阶段的计算是随着计算机的发明科学教育但本文只包含近期关于21世纪培养计算思维的工具和学龄儿童的研究。

自LOGO编程语言出现后“低地板，高天花板”就成为创建儿童编程环境的指导原则之一简单点说，这些编程环境既需要满足易於初学者入门的程序（低地板）同样要具有良好扩展性满足高级程序员使用（高天花板）。对学龄儿童来说丰富的计算环境和有效的計算思维工具必须具有低门槛和高的上限两个特征，此外还需要包含一些脚手架工具支持编程移植性，支持公平具有系统性和可持续性等特征（Repenning，Webb＆Ioannidou2010）。有几种编程工具可以不同程度地满足这些标准：

---用于教育机器人、科学实验的低成本开放源码硬件设备如Arduino和Gogo Boards。

图形化编程环境相对易于使用且可以让早期的体验者专注于设计和创造，避免陷入编程语法的难题比如，通过让新手组合代表不同动作嘚代码块控制屏幕上演员动作来构建程序的方式（例如：Scratch）可以使编程变得更加简单。

一般而言游戏设计和机器人等课程活动可以作為迭代探索计算思维的好方法，不仅利于激励和吸引学龄儿童也能让他们了解计算是随着计算机的发明科学。但是可视化和可触摸编程体验往往需要学习Python，Java和Scheme等高级编程语言

有人建议通过一些特定的情景吸引女孩对计算产生兴趣，这些建议也催生了为弥补计算领域性別差距所开发的各种工具这些工具提供了更多计算思维的学习机会，同时也能很好的吸引女孩投入其中比如，电子织物和其他带精良硬件（如Lilypad Arduino）的“计算手工”套件让孩子们可以将传统艺术及缝纫和画图等手工艺品与计算及电子产品相结合。MITAppInventor是一种可视化编程环境使用类似于Scratch的图形化代码块来搭建Android移动应用，与其他工具相比具有无性别色彩和较高完成度的特点。它不仅降低了创造性应用程序搭建嘚难度（所有青少年包括女孩都跃跃欲试），同时融入复杂的计算思维概念包括程序和数据抽象，迭代和递归思维结构化任务分解，条件和逻辑思维以及调试等内容。

尽管目前计算思维的研究环境各不相同但仍有许多潜在的领域尚未开发。例如方便可触化计算產品开发的Fab Labs，Makerspaces和拥有DIY活动的Maker Faire 与 Instructables等其中，后者能够为儿童提供非正式“黑客”体验或智能手机的操作活动这些未知的可能性都令人充满期待。需要注意的是计算工具的开发，不仅需要具备其自身的有效性还要体现其对计算思维的培养。此外在满足人类对计算的常规理解基础上也要符合学习者的认知发展水平。

如果不进行评估计算思维教育很难成功进入任何K-12课程。此外为了有效评估计算思维课程，普遍用作评估的方法都需要再次验证

在计算思维评估问题的最新研究中，WernerDenner，Campe和Kawamoto（2012）在Alice编程工具的情境式教学中用学生创建的或预先设计的编程工具，来评估学生对解决问题的抽象能力、条件逻辑、算法思维等计算思维概念的理解和使用

一直以来，教育界都呼吁用解构、反向工程和调试程序这些指标评估儿童在计算环境下的理解力Fields，SearleKafai和Min（2012）曾通让学生调试预设的故障电子织物来评估其工程和编程技能。HanKohBasawapatna，Bennett和Repenning（2010）则用一些高难度的问题对学生进行评估这种使用潜能激发式的方法在实际操作中取得了一些成效。

在过去二十年中“学术讲座”（以类似小型演讲的方式进行小组展示）被用来推广和评估数学和科学素养。通过这些富有计算思维的活动评估学生计算是随着计算机的发明科学词汇和语言的使用状况，这也是另一种评估计算思维发展的方式（Grover2011）。

Wilson和Guzdial（2010）认为虽然美国国内对加强K-12领域STEM教育的紧迫感已经转化为数十亿美元的经费，但明确用在计算是随着计算机的发明教育方面的经费仍然不足美国国家科学基金会通过┅些项目对此进行支持，例如CPATH（振兴本科计算是随着计算机的发明教育计划）BPC（扩大计算教育参与度计划），以及最近大力推动将计算思维/计算是随着计算机的发明科学概念引入中学的CE21（为21世纪准备的计算教育）项目此外，另一个来自DARPA计划举措以引导有兴趣的初高中苼进入计算是随着计算机的发明科学职业为目的，计划中包括CS-STEM和卡内基梅隆大学的FIRE（通过机器人探索创新）

虽然正在进行的计算思维发展研究将有助于在K-12阶段教育中加入计算课程，但是在培养计算教育的师资和确保教育性别平等方面仍然面临巨大的挑战

在课程方面，除叻美国大学预修课程中设有“计算是随着计算机的发明科学原理”之外计算是随着计算机的发明科学探究课程也将加入高中生1年制大学預科课程。其他用来将计算是随着计算机的发明科学引入学校的举措包括CS4HS和ComputingintheCore这两个活动汇集了来自学术界、国家机构、以及Microsoft和Google等公司的囲同协作。CSTA的K-12计算是随着计算机的发明科学示范课程为学校提供课程建议用以培养学生兴趣，吸引和激励学生学习计算是随着计算机的發明科学此外，Google的探索性计算思维网站也拥有大量的计算思维学习资源ACM最近也在其ACMInroads季刊中引入了新板块EduBits，展示了ACM及其附属机构的主要敎育活动

近期关于计算思维方面的许多工作，主要集中于定义计算思维的含义和促进计算思维发展的工具虽然在确定培养计算能力的課程和及其发展评估的领域已经取得了一些进展，但仍然存在很大的不足还需要实证研究进行验证。

关于学龄儿童计算思维的实证研究可以充分利用计算是随着计算机的发明科学本科生在早期编程体验中所面临问题的相关研究（语法问题除外），如在儿童计算思维能力培养中是否存在明确的障碍或困难（如递归）如果有的话，应该如何解决

还有一个尚未被充分开发的领域是，人们对计算思维和计算昰随着计算机的发明科学刻板印象的处理以及这些问题的处理对学习者身份认同有何影响（Mercier，Barron和O'Connor2006）。此外在我们为学生提供旨在培養计算思维能力的学习体验时，这些问题有多重要最近关于学生对计算态度的调研，可以更好地了解这些问题

显然，要想对儿童计算能力有更清楚的理论和实践了解还有许多工作要做。例如如果儿童参加了旨在培养计算思维的课程，我们期望孩子知道什么或将什么莋得更好吗我们需要在明确这些问题的答案之后才能大规模将计算思维课程引入学习。

用电子等部件模拟的具有运算能仂的物体学名计算是随着计算机的发明。

最初由约翰·冯·诺依曼发明(那时电脑的计算能力相当于现在的计算器)有三间库房那么大，後逐步发展而成

是一种能够按照指令对各种数据和信息进行自动加工和处理的电子设备。它由多个零配件组成如中央处理器、主板、內存、电源、显卡......

电脑的学名为电子计算是随着计算机的发明，是由早期的电动计算器发展而来的1945年，世界上出现了第一台电子数字计算是随着计算机的发明“ENIAC”用于计算弹道。是由美国宾夕法尼亚大学莫尔电工学院制造的但它的体积庞大，占地面积500多平方米重量約30吨，消耗近100千瓦的电力显然，这样的计算是随着计算机的发明成本很高使用不便。1956年晶体管电子计算是随着计算机的发明诞生了，这是第二代电子计算是随着计算机的发明只要几个大一点的柜子就可将它容下，运算速度也大大地提高了1959年出现的是第三代集成电蕗计算是随着计算机的发明。

从20世纪70年代开始这是电脑发展的最新阶段。到1976年由大规模集成电路和超大规模集成电路制成的“克雷一號”，使电脑进入了第四代超大规模集成电路的发明，使电子计算是随着计算机的发明不断向着 小型化、微型化、低功耗、智能化、系統化的方向更新换代

20世纪90年代，电脑向“智能”方向发展制造出与人脑相似的电脑，可以进行思维、学习、记忆、网络通信等工作

進入21世纪，电脑更是笔记本化、微型化和专业化每秒运算速度超过100万次，不但操作简易、价格便宜而且可以代替人们的部分脑力劳动，甚至在某些方面扩展了人的智能于是，今天的微型电子计算是随着计算机的发明就被形象地称做电脑了

世界上第一台个人电脑由IBM于1981姩推出
1945年，由美国生产了第一台全自动电子数字计算是随着计算机的发明“埃尼阿克”(英文缩写词是ENIAC即Electronic Numerical Integrator and Calculator，中文意思是电子数字积分器和計算器)它是美国奥伯丁武器试验场为了满足计算弹道需要而研制成的。主要发明人是电气工程师普雷斯波·埃克特(J. Prespen Eckert)和物理学家约翰·莫奇勒博士(John W. Mauchly)这台计算是随着计算机的发明1946年2月交付使用，共服役9年它采用电子管作为计算是随着计算机的发明的基本元件，每秒可进行5000佽加减运算它使用了18000只电子管，10000只电容7000只电阻，体积3000立方英尺占地170平方米，重量30吨耗电140~150千瓦，是一个名副其实的“庞然大物”

ENIAC機的问世具有划时代的意义，表明计算是随着计算机的发明时代的到来在以后的40多年里，计算是随着计算机的发明技术发展异常迅速茬人类科技史上还没有一种学科可以与电子计算是随着计算机的发明的发展速度相提并论。

下面介绍各代计算是随着计算机的发明的硬件結构及系统的特点：

一、第一代()：电子管数字计算是随着计算机的发明

计算是随着计算机的发明的逻辑元件采用电子管主存储器采用汞延迟线、磁鼓、磁芯；外存储器采用磁带；软件主要采用机器语言、汇编语言；应用以科学计算为主。其特点是体积大、耗电大、可靠性差、价格昂贵、维修复杂但它奠定了以后计算是随着计算机的发明技术的基础。

二、第二代()：晶体管数字计算是随着计算机的发明

晶体管的发明推动了计算是随着计算机的发明的发展逻辑元件采用了晶体管以后，计算是随着计算机的发明的体积大大缩小耗电减少，可靠性提高性能比第一代计算是随着计算机的发明有很大的提高。

主存储器采用磁芯外存储器已开始使用更先进的磁盘；软件有了很大發展，出现了各种各样的高级语言及其编译程序还出现了以批处理为主的操作系统，应用以科学计算和各种事务处理为主并开始用于笁业控制。

三、第三代()：集成电路数字计算是随着计算机的发明

20世纪60年代计算是随着计算机的发明的逻辑元件采用小、中规模集成电路(SSI、MSI)，计算是随着计算机的发明的体积更小型化、耗电量更少、可靠性更高性能比第十代计算是随着计算机的发明又有了很大的提高，这時小型机也蓬勃发展起来，应用领域日益扩大

主存储器仍采用磁芯，软件逐渐完善分时操作系统、会话式语言等多种高级语言都有噺的发展。

四、第四代(1971年以后)：大规模集成电路数字计算是随着计算机的发明

计算是随着计算机的发明的逻辑元件和主存储器都采用了大規模集成电路(LSI)所谓大规模集成电路是指在单片硅片上集成个以上晶体管的集成电路，其集成度比中、小规模的集成电路提高了1~2个以上数量级这时计算是随着计算机的发明发展到了微型化、耗电极少、可靠性很高的阶段。大规模集成电路使军事工业、空间技术、原子能技術得到发展这些领域的蓬勃发展对计算是随着计算机的发明提出了更高的要求，有力地促进了计算是随着计算机的发明工业的空前大发展随着大规模集成电路技术的迅速发展，计算是随着计算机的发明除了向巨型机方向发展外还朝着超小型机和微型机方向飞越前进。1971姩末世界上第一台微处理器和微型计算是随着计算机的发明在美国旧金山南部的硅谷应运而生，它开创了微型计算是随着计算机的发明嘚新时代此后各种各样的微处理器和微型计算是随着计算机的发明如雨后春笋般地研制出来，潮水般地涌向市场成为当时首屈一指的暢销品。这种势头直至今天仍然方兴未艾特别是IBM-PC系列机诞生以后，几乎一统世界微型机市场各种各样的兼容机也相继问世。

所谓现代計算是随着计算机的发明是指采用先进的电子技术来代替陈旧落后的机械或继电器技术

现代计算是随着计算机的发明经历了半个多世纪嘚发展，这一时期的杰出代表人物是英国科学家图灵和美籍匈牙利科学家冯·诺依曼。

图灵对现代计算是随着计算机的发明的贡献主要是：建立了图灵机的理论模型发展了可计算性理论；提出了定义机器智能的图灵测试。

冯·诺依曼的贡献主要是：确立了现代计算是随着计算机的发明的基本结构，即冯·诺依曼结构。其特点可以概括为如下几点：

（1）使用单一的处理部件来完成计算、存储以及通信的工作；

（2）存储单元是定长的线性组织；

（3）存储空间的单元是直接寻址的；

（4）使用机器语言指令通过操作码来完成简单的操作；

（5）对計算进行集中的顺序控制。

现代计算是随着计算机的发明的划代原则主要是依据计算是随着计算机的发明所采用的电子器件不同来划分的这就是人们通常所说的电子管、晶体管、集成电路、超大规模集成电路等四代。