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编程回到学校
来源:agentsheets.com
教育编程环境试图通过使编程更加令人兴奋和容易获得，来扩大妇女和少数民族对计算机科学教育的参与。从1991年开始，我们在科罗拉多大学的AgentSheets研究探索了通过拖放界面支持学生进行游戏设计和模拟构建的想法。早期，AgentSheets使学生能够通过Web构建和共享他们的作品4以及最近的AgentCubes3.正在通过平缓的3D斜坡来探索3D流畅性的想法。其他人的目标略有不同。例如，Alice探索了讲故事的想法，Scratch探索了动画的想法。然而，本专栏的重点不是比较编程环境，而是探索为什么尽管有这些工具，编程仍然没有在公立学校，特别是中学使用。
尽管高中水平的参与情况日益扩大，但看起来仍很暗淡1中学阶段的情况要糟糕得多。5编程在中学的普及程度，通常是作为课后项目提供的。中学是学生，尤其是女孩和少数民族学生，做出果断但往往是不幸的职业决定的关键时期，比如“科学不适合我”。我们如何才能将中学计算机科学教育从孤立的课外活动转变为系统的模式，使计算机科学融入学校课程，并在全区的必修课中教授?我们的可扩展游戏设计计划(Scalable Game Design Initiative)有超过8000名参与者，初步表现出了巨大的希望，并正在制定一种新方法，适用于包括市中心、偏远农村和印第安人社区在内的各种环境。但在我描述我们的策略和结果之前，我先讲一个故事。
如果学生想要达到一种深刻的、个人改变的“哇，我可以做这个”的意识，那么创造一款可玩游戏的能力是必不可少的。
6年前，我们的一位老师决定使用AgentSheets将游戏设计作为编程活动引入他的常规计算机教育课堂。此前，他的课程仅限于键盘输入和PowerPoint等主题。当我第一次去他的班级时，我真的很惊讶。我立刻注意到一个完全不同的参与者组成。与计算机俱乐部里典型的单身女孩不同，大约50%的学生是女性，还有很大比例的少数民族学生。我问学生们是否喜欢游戏设计活动。他们所做的。然而，许多人也表示，他们绝不会在周五下午去电脑俱乐部编程。一名学生把她对计算机科学的看法总结为“困难和无聊”。在必修课程中，人们对游戏设计的兴趣普遍高涨，这表明了一种策略，即同时增加学生对计算机科学的兴趣，并扩大参与。
从那时起，NSF师生创新技术体验(ITEST)项目使我们能够将这一经验扩展为中学计算机科学教育的完整策略。我们能够研究基于游戏设计的计算思维(CT)课程在中学的系统整合。由此产生的可扩展游戏设计6框架(见附图)包含了越来越先进的游戏设计活动课程，从基础的经典80年代街机游戏如《青蛙过河》(图左下)到更现代的游戏如《模拟人生》。该框架包括复杂的人工智能概念(图中顶部)。右边显示了我们的近端流区域图(Csíkszentmihályi的流图与Vygotsky的近端发展区域概念化的组合)。可扩展游戏设计的本质是，编程的挑战和技能应该是平衡的，有不同的路径，有些比其他的更适合扩大参与，沿着这些路径，学生可以提高他们的技能，解决更高级的挑战。
以下是可扩展游戏设计框架的四个主要目标和方法。
曝光:开发一套高度可采用的中学CT课程，将其与现有的计算机教育和STEM课程相结合，使潜在的非常庞大和多样化的儿童群体接触到CT概念。提供编程相关课外项目的少数中学只吸引了少数学生。在一所中学，一个成功的计算机俱乐部可以吸引大约20名学生，其中几乎全是对编程感兴趣的男孩。科罗拉多州的博尔德谷学区是一个技术进步和富裕的地区，12所中学中只有一所提供电脑俱乐部。随着可扩展游戏设计课程的引入，12所中学中有10所开设了CT课程。此外，大多数学生参与，导致女孩和少数民族学生的参与率极高。在8000多名研究参与者中，45%是女孩，48%是少数民族学生。在一些规模较大的学校，每所学校每年有400名学生参加。很明显，与课后项目相比，课程整合的方法具有更高的系统性影响潜力。然而，要达到这种接触，学区必须看到CT教育的直接价值，并找到将其融入现有课程的方法。
图的左侧显示了现有课程中使用的一些AgentSheets/AgentCubes STEM模拟和游戏，以解决STEM和教育技术标准。STEM模拟需要诸如AgentSheets这样的计算思维工具，这些工具可以对数千个对象运行高级模拟，包括科学可视化，并提供将数据导出到Excel和其他工具的方法。我们发现，大多数学校都有能力将这些活动纳入现有的课程。美国有超过1600万中学生，通过这一战略，学生接触CT的潜在机会是巨大的。
动机:创建一套可扩展的游戏设计活动，从低门槛到高上限的活动，这样没有编程背景的学生就可以在短时间内制作出完整和令人兴奋的游戏，同时仍在逐步走向高度复杂的游戏创作。可扩展游戏设计对教师和学生的门槛很低，使游戏设计跨越性别和种族。我们开发了一个基于35个小时接触时间的专业开发项目，在这个项目中，我们培训老师让学生在大约一周的时间内从零开始创建他们的第一款可玩游戏(例如，5节课x 45分钟)。如果学生想要达到一种深刻的、个人改变的“哇，我可以做这个”的意识，那么创造一款可玩游戏的能力是必不可少的。
在图的右侧，动机区域是根据挑战和技能划分的。这些区域分别是焦虑区、最近发展区、心流区和无聊区。在中学里，我们发现“项目优先”的方法比在没有具体和有趣挑战的情况下先学习许多原则的方法要有效得多。项目优先路径引导学生进入最近发展区域，在适当的支持下，他们可以快速学习相关CT概念。通过表达对继续学习类似课程的兴趣来衡量，他们的动机水平非常高:男孩为74%，女孩为64%;白人学生占71%，少数族裔学生占69%。在大多数学校，这些都不是自选的学生。虽然没有确定的基线，但我们的老师考虑的是三分之一的学生想要继续成功的愿望。
教育:建立计算工具，分析学生制作的CT技能项目，以便客观地衡量学习结果。这些成果包括从游戏设计到模拟构建的CT概念的学习轨迹和转移。学生们真正学到的是什么?虽然CT的定义仍在不断出现，但一所学校的主管却提出了一个简洁的期望陈述:“我想走到参与游戏设计的学生面前问:既然你可以制作太空入侵者，你还能制作科学模拟游戏吗?”这个迁移问题应该是计算思维教育的核心。如果学生学习制作游戏，但不知道如何将他们的技能转移到科学模拟中，那么游戏设计就没有成为课程的教育理由。我们设计了计算思维模式分析2作为一种直接从学生构建的游戏和模拟中提取CT技能证据的分析手段。最令人兴奋的是，这让我们超越动机研究，研究游戏设计的教育价值，包括探索学习轨迹，以及从游戏设计到STEM模拟构建的转移。为了实现这种转移，教师的专业发展强调这些计算思维模式是促进CT的一种手段。
教育学:系统地研究教学方法和动机层次的相互作用，使教师能够扩大参与。通过阿拉斯加、加利福尼亚、乔治亚、俄亥俄、南达科他州、德克萨斯州和怀俄明州的学校网站，以及超过10,000个学生创建的游戏和模拟，我们能够探索独特丰富的激励和教育数据集。6我们发现，在不同的学校环境、性别和种族中，支持动机水平和技能的主要共同因素是脚手架。在我们考虑的所有因素中，脚手架是唯一重要的因素。脚手架是一个教学方面，表明教师提供支持的程度和类型，通过课堂观察进行评估。直接教育，提供了一个高度的脚手架，在男孩和女孩之间提供了高度分化的动机层次。在直接指导下，老师提供详细的一步一步的指导(例如，“点击这个按钮”，“把青蛙涂成绿色”)。直接的教育对女孩尤其没有吸引力。在没有那么多脚手架的情况下，比如有引导的发现，教师会采用一种更基于探究的方法，其中包括课堂讨论(比如“我们应该做什么?”和“我们怎么做?”)。在引导发现中，女孩的动机水平不仅接近男孩的动机水平，而且往往超过男孩。在许多课程中，使用引导发现将女孩的动机水平提高到100%。这是令人兴奋的，因为它表明，扩大参与不是一个难以改变的因素，如学校富裕的问题。 Preconceived notions such as lower interest of girls in programming turned out to be unsubstantiated. Even in cases where most literature would suggest a gender effect, for instance if there were significantly fewer girls in a class, we found that the right level of scaffolding could raise the level of motivation in girls to be even higher than that of boys.
结论
我们相信我们已经找到了一种将CT教育融入中学的系统策略，这种策略可以让大量学生接触到CT教育，同时也能吸引女孩和代表性不足的学生。可扩展游戏设计项目将继续作为国家科学基金会计算教育21圣世纪(CE21)项目，以推进以研究为基础的框架，以扩大参与。我们邀请有兴趣的学校参与。
这项工作由国家科学基金会资助，资助号为0848962,08833612和1138526。本材料中表达的任何意见、发现和结论或建议都是作者的观点，并不一定反映美国国家科学基金会的观点。
参考文献
1.计算机科学教师协会(CSTA)董事会。实现变革:CSTA战略计划, 2008年。
2.Ioannidou, A.， Bennett, V.， Repenning, A.， Koh, K.，和Basawapatna, A.计算思维模式。论文发表于美国教育研究协会(AERA) 2011年年会“融合人类创造力和技术的力量:K12课堂中的计算思维”研讨会(2011年4月812日，新奥尔良，洛杉矶)。
3.Ioannidou, A.， Repenning, A.和Webb, D. AgentCubes:增量3D最终用户开发。视觉语言与计算杂志(2009)。
4.触觉编程:一种支持程序理解、组合和共享的统一操作范式。在1996年IEEE视觉语言研讨会论文集，(博尔德，CO，计算机协会)，1996,102109。
5.为中学女生的职业探索注入计算思维。在IEEE可视化语言和以人为中心的计算研讨会论文集，VL/HCC'11，(匹兹堡，PA, 2011年9月)，IEEE计算机学会，Los Alamitos, CA。
6.韦布，哥伦比亚特区，Repenning, A.和Koh, K.为扩大计算机科学教育参与的新兴理论。ACM计算机科学教育特别兴趣小组会议(SIGCSE 2012)，(北卡罗来纳州罗利，2月29日，3月29日)。3, 2012)。
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