創(chuàng)客教育、STEM 教育、 STEAM 教育、編程教育、計(jì)算機(jī)科學(xué)教育，這些名詞在國內(nèi)習(xí)慣用法似乎彼此混淆，本文就是來探討澄清這些主題的差異、與你應(yīng)關(guān)心的重點(diǎn)在哪里。
前陣子國內(nèi)有人寫道美國約在 2011 之後才有 STEM 教育，怎麼可能?!! 應(yīng)該是用詞不精確。所謂 STEM 是 Science-Technology-Engineering-Mathematic. 的簡稱，而 STEAM 增加的 A 是 Arts，增加 Arts 的確是比較新的思維，但這個成分目前不具主導(dǎo)性，以 STEM 正確定義來說，STEM 教育絕不是新的東西，從五十年代國際太空競賽就驅(qū)動美國拚理工教育，所以新的重點(diǎn)在哪里?
2011 年之后的 STEM 教育新內(nèi)涵
2011 之後由美國帶頭的新主張大致有兩塊，一是所謂的創(chuàng)客教育 (Maker Education) 說法興起，目的是為了銷售適用於學(xué)校的低階 3D 打印機(jī) (這樣說并未否定打印機(jī)的教育價值)。3D 打印機(jī)搭配像 Raspberry Pi 、Arduino 這樣的低價硬件，以及，開放授權(quán)、群眾募資的新典範(fàn)，降低了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的門檻，鼓勵了更多人動手創(chuàng)造原型 (Prototype)，形成創(chuàng)新的正向循環(huán)，也連帶影響教育現(xiàn)場。創(chuàng)客教育只是 STEM 教育中的一個新興子領(lǐng)域，但不能代表整個 STEM 教育，而且目前在國內(nèi)的創(chuàng)客教育僅適用於養(yǎng)成極客 (Geek)。
另一新主張是人人都該學(xué)習(xí)編程 (Programming，Coding) 的說法，甚至美國總統(tǒng)與知名女星都為此說法發(fā)聲，這幾年下來讓學(xué)習(xí)編程快變成陳腔濫調(diào)了，事實(shí)上，此主張倒有其根據(jù)，根據(jù)美國勞工統(tǒng)計(jì)局預(yù)估，2020 年美國將約有 140 萬個計(jì)算機(jī)科學(xué) (Computer Science，CS) 領(lǐng)域的職缺，但是只有約 40 萬個計(jì)算機(jī)科學(xué)本科畢業(yè)生，而 STEM 領(lǐng)域的新職缺有三分之二是計(jì)算機(jī)科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域 (含資料科學(xué))，卻只有 7.5% 的 STEM 本科畢業(yè)生主修計(jì)算機(jī)科學(xué)，軟件開發(fā)人員的供需缺口令人憂心。而過去十幾年美國在軟件上的創(chuàng)新領(lǐng)先全球，前瞻的業(yè)界人士相當(dāng)重視此問題，所以大聲疾呼起來，白宮也采取了相關(guān)呼籲與行動 (參考資訊)。
來自 Code.org
簡言之，STEM 教育的新需求缺口主要在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域人才，記得 Marc Andreessen 名言Software is eating the world 這句話? 這是信息時代趨勢使然，從網(wǎng)頁、App、資料科學(xué)到云端、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能，程序無所不在，這不僅是美國的現(xiàn)象而已，然而全球大多數(shù)學(xué)校的信息教育課卻還停留在教導(dǎo)學(xué)生如何使用 Word 文件或 PowerPoint 簡報。其實(shí)編程教育運(yùn)動在許多國家都存在，從 Skype 發(fā)源地國家愛沙尼亞開始，到英國、美國，越來越多國家政府將計(jì)算機(jī)科學(xué)教育放入學(xué)校課程。編程教育顧名思義是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)程式語言，因?yàn)榫幊探逃\(yùn)動多由軟件工程專業(yè)人員開始推動 (例如: 當(dāng)義工在課後時間教小孩)，所以多以學(xué)習(xí)編程開始，或搭配簡單硬件實(shí)作創(chuàng)客教育，但是計(jì)算機(jī)科學(xué)教育的意義比較廣，接下來談?wù)務(wù)畯慕逃娜娓叨热绾慰剂俊?/p>
美國政府對計(jì)算機(jī)科學(xué)教育的定位
美國在國家層級的行動是以國家科學(xué)委員會 (National Science Foundation, NSF) 為首，從 2009 年開始，逐步建立在中小學(xué)實(shí)施計(jì)算機(jī)科學(xué)教育的基礎(chǔ)，最主要是贊助課程的開發(fā)與對教師的培訓(xùn)，前者支持了兩門課程的開發(fā) -- AP Computer Science Principles (AP CSP) 與 Exploring Computer Science (ECS)，後者推動了像 CS 10K Project，要培訓(xùn)一萬名能夠上崗教授計(jì)算機(jī)科學(xué)的教師。白宮并與 The College Board、Code.org 等組織合作，在 2013 年提出 Computer Science is for everyone!，在 2016 年新提出 Computer Science for All 的倡議，并規(guī)劃了 41 億美金的經(jīng)費(fèi)支持。
在各州自治的層級，各州都有來自公部門與民間的行動，例如: 2015 年九月，紐約市長 Bill de Blasio 宣布，將砸 8,100 萬美金，務(wù)求計(jì)算機(jī)科學(xué)教育須在十年之內(nèi)普及到全市所有公立學(xué)校;芝加哥則決定在 2018 年以前，將修習(xí)至少一年的計(jì)算機(jī)科學(xué)課列為高中畢業(yè)門檻。作為全世界科技產(chǎn)業(yè)最蓬勃旺盛的地方，舊金山將從幼稚園到中學(xué)提供編程教育，并強(qiáng)制八年級學(xué)生必修。
所謂編程教育只是學(xué)習(xí)程式語言而已，是見樹不見林的高度，但是美國白宮對計(jì)算機(jī)科學(xué)教育的目標(biāo)是要見樹又見林，在見林的高度涵蓋這領(lǐng)域之基礎(chǔ)通識 (Fundamental Concepts) 與完整概念 (Big Ideas)，在見樹的層面要學(xué)習(xí)掌握編程的基本邏輯。這樣的教育不僅是為培養(yǎng)編程工程師而設(shè)置，其目的是為全部學(xué)生建立信息時代的必要信息素養(yǎng) (Literacy)，了解計(jì)算機(jī)科學(xué)對人類生活與社會產(chǎn)生的影響，以及未來的可能潛力，引起更多的學(xué)生對進(jìn)入計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)產(chǎn)生興趣，包括提升女性與弱勢族群參與比例。根據(jù)研究，在高等教育之前曾經(jīng)接受過計(jì)算機(jī)科學(xué)教育的學(xué)生在將來進(jìn)入該領(lǐng)域的比例增加為八倍。(College Board 研究報告)
即使對非主修計(jì)算機(jī)科學(xué)的學(xué)生，也要破除計(jì)算機(jī)運(yùn)作的神祕感，在需要之時知道如何駕馭它來解決問題。隨著人工智能、機(jī)器人等最新技術(shù)的大規(guī)模運(yùn)用，全球進(jìn)入到了“智能時代”，各國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)都面臨著深度調(diào)整的壓力，科技影響深入社會與生活諸多層面，不只創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)至關(guān)重要，更需要普及全民的計(jì)算機(jī)科學(xué)教育，以建立在信息時代生存必要的能力素養(yǎng)。
白宮與相關(guān)組織認(rèn)為每個 21 世紀(jì)的學(xué)生都應(yīng)該要學(xué)習(xí)演算法、網(wǎng)路如何運(yùn)作、如何建立應(yīng)用程序、如何分析大數(shù)據(jù)、以及計(jì)算機(jī)如何影響社會。就像他們學(xué)習(xí)消化系統(tǒng)、光合作用或電力從何而來，并不是要成為科學(xué)家的學(xué)生才學(xué)，而是一種基礎(chǔ)教育。計(jì)算機(jī)科學(xué)教育也是必要的基礎(chǔ)教育，不是職業(yè)教育。教育系統(tǒng)的腳步常常跟不上科技推動時代進(jìn)步的腳步，但是對家長與教師的訪調(diào)結(jié)果也顯示，一般認(rèn)為現(xiàn)在這種計(jì)算機(jī)科學(xué)素養(yǎng)的重要僅次於讀與寫的素養(yǎng)。(Google 調(diào)查報告)
對計(jì)算機(jī)科學(xué)的定義，最廣泛接受的定義來自 Tucker 教授等人: "計(jì)算機(jī)科學(xué)是研究計(jì)算機(jī)與演算法，包括其原理、硬件、軟件設(shè)計(jì)、應(yīng)用程序、以及其對社會的影響"。
“Computer science is the study of computers and algorithmic processes, including their principles, their hardware and software designs, their applications, and their impact on society.” (Tucker, 2004 ACM/CSTA Model Curriculum for K–12 Computer Science.)
計(jì)算機(jī)教育應(yīng)該學(xué)什么?
所以，計(jì)算機(jī)科學(xué)教育到底該學(xué)甚麼呢?以我們白話說 : 教育目標(biāo)是能駕馭計(jì)算機(jī)科技，更專業(yè)的說法 -- 運(yùn)算思維 (Computational Thinking) -- 是何種能力? 2010 年 Jan Cuny 與 Larry Snyder 提出: "運(yùn)算思維是能將問題與解決過程轉(zhuǎn)成計(jì)算機(jī)語言與程序邏輯，以利用計(jì)算機(jī)軟硬件來達(dá)成任務(wù)"。
"Computational Thinking is the thought processes involved in formulating problems and their solutions so that the solutions are represented in a form that can be effectively carried out by an information-processing agent."
由 Association for Computing Machinery(ACM)、Code.org、Computer Science Teachers Association (CSTA) 等民間組織與州教育局代表、大型學(xué)區(qū)代表 (學(xué)校教師)、以及大學(xué)學(xué)者共同合作訂定了 K–12 Computer Science Framework。這些學(xué)者來自包括了麻省理工學(xué)院、芝加哥大學(xué)、伊利諾大學(xué)、加州大學(xué)、哈佛大學(xué)、德州大學(xué)、杜克大學(xué)、喬治亞理工學(xué)院、賓州大學(xué)、康乃爾大學(xué)等等，并獲得來自領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)的支持，包括 Apple、Google、Mocrosoft、Amazon、Accenture 等等。該學(xué)習(xí)框架標(biāo)準(zhǔn)是作為課程設(shè)計(jì)與教師培訓(xùn)的根據(jù)，從幼稚園到高中畢業(yè)，定義具有計(jì)算機(jī)素養(yǎng) (Literacy) 的學(xué)生在每個階段應(yīng)有的行為表現(xiàn)、思考方式與發(fā)展進(jìn)程。
簡要來說，在計(jì)算機(jī)素養(yǎng)中，編程能力與演算法只是其中一小部分，學(xué)生還應(yīng)該了解網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作原理與安全性問題、計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)運(yùn)作原理、資料科學(xué) (數(shù)據(jù)收集/儲存/分析/建模/呈現(xiàn))、與計(jì)算機(jī)對社會之影響 (人際溝通/隱私/道德/法律/工作)。而成功應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)解決問題不僅需要知識，還需技能，這包括創(chuàng)建能力、溝通能力、合作能力、抽象推理能力等等，對軟性技能的強(qiáng)調(diào)要求是整合在該學(xué)習(xí)框架中的。同時該框架也對照了計(jì)算機(jī)教育與數(shù)學(xué)、科學(xué)、工程、語文教育的交集之處。
來自 K12CS.org
一般?？吹降膭?chuàng)客教育或 STEM 教育經(jīng)常從有形的工具出發(fā)來設(shè)計(jì)，而容易流於片段狹隘技術(shù)的訓(xùn)練，不是全面素養(yǎng)的養(yǎng)成 (參考文章)。例如: 3D 打印機(jī)是 3D 建模的實(shí)踐，一般中小學(xué)校買得起的低階 3D 打印機(jī)水平，很難做高階的創(chuàng)意發(fā)揮 (列印速度也是瓶頸)，重點(diǎn)不是打印機(jī)本身，而是藉由它可以帶入以上提到的相關(guān)素養(yǎng)養(yǎng)成。另外，很多創(chuàng)客教育牽涉硬件的動手實(shí)驗(yàn)，需要有電子學(xué)的基礎(chǔ)知識才能活用發(fā)揮 (例如電阻、電容、二極體運(yùn)作原理)，孩子未具備基礎(chǔ)知識只是按表操課，不知其所以然，不可能進(jìn)行邏輯推理，遇到問題也無法做解決 (Trouble-Shooting)，活動完了到底學(xué)到甚麼?
這里并不是說不要創(chuàng)客教育，而是要根據(jù)適切的學(xué)習(xí)框架為中心來設(shè)計(jì)，而非以特定編程語言或硬件為中心來設(shè)計(jì)，把經(jīng)費(fèi)花在高昂的硬件上，不如花在好的師資與課程設(shè)計(jì)上，沒有 3D 打印機(jī)不會阻礙學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)，但沒有好的課程與師資卻萬萬不能。引用此文章 (創(chuàng)客教育：補(bǔ)了短板才能跑): "創(chuàng)客教育“初出茅廬”不成系統(tǒng)，其問題集中表現(xiàn)為四點(diǎn)：
一是校園創(chuàng)客教育缺乏理論體系，多以活動和大賽培訓(xùn)為主，任務(wù)不明確;
二是教學(xué)方法不具體，創(chuàng)客教育缺乏規(guī)范的教學(xué)大綱;
三是教材教具品種類型匱乏，學(xué)生能使用的較少;
四是學(xué)校沒有專門的師資力量，多以信息技術(shù)老師為主，缺乏專業(yè)技能人才。" (即使市面上有提供創(chuàng)客教育的私人機(jī)構(gòu)，也無從評定其教學(xué)品質(zhì)。)
學(xué)習(xí)過程比結(jié)果表象重要，如何學(xué)比學(xué)甚麼更重要，無人機(jī)或機(jī)器人都是手段而已。評估課程優(yōu)劣，先問學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)、目標(biāo)、師資、以及如何評量學(xué)習(xí)成果。
作為大學(xué)先修課的計(jì)算機(jī)課程
如前述，美國國家科學(xué)基金會采取行動之一就是推動兩個新課程。The College Board 主辦大學(xué)先修課程 (AP)，全美國高中都開設(shè)其 AP 課程，它在多年準(zhǔn)備後於去年推出了新課程 AP Computer Science Principles (AP CSP)，美國數(shù)百所大學(xué)承認(rèn)該學(xué)分，所以影響相當(dāng)直接。
其課程框架訂出了七大學(xué)習(xí)主軸: 創(chuàng)造力、抽象化、資料科學(xué)、演算法、編程、互聯(lián)網(wǎng)、科技的影響。從而向下發(fā)展出:
23 個 核心概念 (Enduring Understandings)
42 個 學(xué)習(xí)目標(biāo) (Learning Objectives)
> 100 個 基本知識項(xiàng)目 (Essential Knowledge Items)
由美國國家科學(xué)基金會贊助，Trinity College、College of St. Scholastica、Computer Science Teachers Association (CSTA) 與麻省理工學(xué)院 (MIT) 密切合作共同開發(fā)的 AP CSP 課程，已經(jīng)在全美約 40 州的幾百所高中實(shí)施，其內(nèi)容具有應(yīng)用程序教學(xué) (編程) 和計(jì)算機(jī)科學(xué)原理課程 (非編程)。前者教授如何逐步構(gòu)建應(yīng)用程序，跟隨在后的是創(chuàng)意專題，這些專題提供了挑戰(zhàn)性問題，鼓勵學(xué)生自己嘗試;非編程內(nèi)容則涵蓋了前述計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)習(xí)框架。其課程設(shè)計(jì)重點(diǎn)如下:
從 MOOC 翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí) + 課堂上分組討論;
要求學(xué)生建立學(xué)習(xí)履歷，收集包括探索 (Explore) 與創(chuàng)建 (Create) 的產(chǎn)出;
高度鍛鍊寫作表達(dá)能力，須對探索主題做論述;
項(xiàng)目式學(xué)習(xí) (PBL)，學(xué)生必須以編程知識創(chuàng)建對社區(qū)有用的移動應(yīng)用 (Mobile App)，體現(xiàn)其創(chuàng)造力、問題解決設(shè)計(jì)思維、團(tuán)隊(duì)合作與溝通、專案管理能力等軟實(shí)力;
此課程基於 MIT App Inventor 讓那些非計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的學(xué)生也能創(chuàng)造出自己的應(yīng)用軟件作品，把學(xué)生從消費(fèi)者轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)造者。
這里的主要主張是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，建立對社區(qū)有用的移動應(yīng)用，學(xué)生可能可以建立甚麼應(yīng)用呢?
Trinity College 學(xué)生創(chuàng)建一個可以使用手機(jī)量測樹木或建築物高度的應(yīng)用;
Trinity College 學(xué)生為海地居民創(chuàng)建追蹤大宗商品價格的應(yīng)用;
阿拉巴馬高中學(xué)生創(chuàng)建了追蹤研究野山豬行為的應(yīng)用;
MIT 學(xué)生為發(fā)展中國家的糖尿病患建立用手機(jī)量測血糖的應(yīng)用;
Winchester 高中創(chuàng)建了各種應(yīng)用，包括解決學(xué)校停車問題、紓解壓力、時間管理、幫助學(xué)習(xí)記憶、小遊戲。(新聞)
其他高中生創(chuàng)作: 讓民眾舉報可疑犯罪行為的應(yīng)用、自動計(jì)算食物卡洛里與熱量管理、幫助校車找出最短路徑、協(xié)助高中生計(jì)畫與管理申請大學(xué)之過程......等等，這里列舉不完。
讀者是否發(fā)現(xiàn)了，這里需要的問題解決能力，不僅僅是編程邏輯，還需要先有問問題的能力，研究真實(shí)世界里相關(guān)運(yùn)作、變數(shù)與使用者行為才能設(shè)計(jì)出成功的解決方案。過程需要許多溝通、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、試錯修正、跨領(lǐng)域知識與資訊、甚至如何行銷推廣才能達(dá)到項(xiàng)目目標(biāo)，加上創(chuàng)意!! 這種學(xué)習(xí)并不局限適用於關(guān)在實(shí)驗(yàn)室里的極客 (Geek)，且要求更高階的能力。
來自 MIT 的 App Inventor 是個進(jìn)可攻退可守的強(qiáng)大開源工具，可視化編程 (Block) 創(chuàng)作介面類似 Scratch (同樣來自 MIT)，可讓非編程人員建立應(yīng)用 (甚至已有商業(yè)服務(wù))，也可成為進(jìn)入文本編程的跳板，本身又有開源社區(qū)支持。許多人以為學(xué)習(xí)文本編程比可視化編程好，其實(shí)不然，首先，要選擇哪個語言就是個問題，再者，初學(xué)者容易陷於細(xì)微枝節(jié)而迷失掌握程序結(jié)構(gòu)、與了解整個應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)作，例如: 如何銜接移動裝置上的感測器與硬件、資料如何存取、如何利用程序接口(Application Programming Interface, API) 與其他功能服務(wù)整合。
學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)是為了改變世界
If you learn about computer science, you have the ability to change the world. — Art Lopez, AP Computer Science Principles Teacher
這就是美國教師的態(tài)度。
在美國人印象里，STEM 原本就是中國人的強(qiáng)項(xiàng)，事實(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)字也是如此，無論是在職場上的工程師大軍、或是考試成績表現(xiàn)、或以全球取得 STEM 學(xué)位的人數(shù)或者人口占比來看，中國明顯領(lǐng)先美國。但是，就像馬云說的，多數(shù)中國人就僅是非常會解題 (這是亞洲人一般現(xiàn)象)，但想從"中國製造"進(jìn)步成"中國創(chuàng)造"，想讓計(jì)算機(jī)對社會產(chǎn)生更有價值的影響，需要的不只是會解題的技術(shù)而已。
即使美國人不如中國人會考試，卻充滿自信心與改變世界 (Make a Difference) 的企圖心與軟實(shí)力，從小積極參與社區(qū)服務(wù)養(yǎng)成關(guān)心社區(qū)的公民素養(yǎng)，社會高度強(qiáng)調(diào)創(chuàng)造力與多元開放性思考。這或許就是美國充滿創(chuàng)新創(chuàng)意、保有競爭力的原因。所謂素養(yǎng)教育涵蓋從高到低的三個層次分別是 A (Attitude，態(tài)度)、S (Skill，技能)、K (Knowledge，知識)。在這個時代知識上網(wǎng)搜尋就有，甚至人工智能都能編程了，編程技術(shù)本身不是最重要，其實(shí)美國人認(rèn)為編程人員是未來的新藍(lán)領(lǐng)階級而已。教育真正的目的是在學(xué)習(xí)過程中培養(yǎng)態(tài)度 (學(xué)科興趣、企圖心、堅(jiān)持、關(guān)懷社會) 與技能 (溝通、表達(dá)、合作、創(chuàng)造力、解決問題、自學(xué)能力)，而要達(dá)到此目標(biāo)，師資才是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。
是應(yīng)試教育還是素養(yǎng)教育?
計(jì)算機(jī)科學(xué)教育的成功要素為何? 如果沒有對學(xué)習(xí)本質(zhì)審慎思考，熱門的編程或創(chuàng)客教育最後將成為另一個奧數(shù) -- 只是狹隘技術(shù)的訓(xùn)練與應(yīng)試教育而已。在今年年初印發(fā)的《國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出，要改革創(chuàng)新驅(qū)動教育發(fā)展，推動合作探究式學(xué)習(xí)，倡導(dǎo)任務(wù)驅(qū)動學(xué)習(xí)，提高學(xué)生分析解決問題的能力。推進(jìn)中學(xué)生科技創(chuàng)新后備人才培養(yǎng)計(jì)劃與全國青少年高?？茖W(xué)營等活動，積極試點(diǎn)探索大學(xué)先修課程。政策的確訂出了標(biāo)竿，或許這是一個新的改變契機(jī)。
正確的計(jì)算機(jī)科學(xué)教育是準(zhǔn)備好學(xué)生面對未來的現(xiàn)代素養(yǎng)教育，而編程教育或創(chuàng)客教育都只是完整圖像的部分實(shí)踐，傳遞知識內(nèi)容是最低階的學(xué)習(xí)，師資品質(zhì)、學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)、社區(qū)實(shí)踐、評量方式將決定一個課程是應(yīng)試教育還是素養(yǎng)教育。
