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教育:重新编程学院预科计算机科学
摄影:Miguel Borges
4月初，美国大学理事会(College Board)宣布取消AP计算机科学“AB”课程，这是两门AP计算机课程中更高级的课程，使学生在高中期间就能学习大学水平的内容。美国大学理事会在与AP教师的沟通中提到，学生对“AB”课程的参与度较低，因此他们宣布将加大对计算机科学“A”课程的投入，并表示:“适当的大学理事会委员会将集中精力改进和支持AP计算机科学A项目，在未来五年内，该项目将得到加强，以更好地代表全年的入门级大学计算机科学课程序列。”这种对重新思考大学计算机科学预备教育的关注引起了对这一领域教育危机的严重关注。
对于那些一直关注计算机科学教育的人来说，这一声明不应该感到惊讶。在过去的几年里，高中计算机课程已经出现了不景气的迹象。即使是更受欢迎的“A”考试，学生的参与度也比2002年入学高峰时下降了15%。虽然在过去的两年中，参加AP计算机科学考试的人数趋于平缓，但参加AP其他科目考试的高中生人数却在不断增加。事实上，自2002年以来，参加所有科目AP考试的学生平均人数增加了58%。
AP计算机科学学生入学率低的部分问题可以归因于教师在建设和维持这门课程时遇到的独特挑战。作为一所多元化的城市高中的前AP计算机科学老师，我在教授一门没有多少学院支持和陡峭的学习曲线的学科时经历了一种孤立感。作为一名社会科学研究者，我研究了在复杂的学校结构中创建和维护严格的计算机科学课程的障碍。自2004年以来，我领导了洛杉矶AP计算机科学教师的专业发展项目，并在招聘和保留拥有这门课程所需知识的教师方面遇到了许多挑战。在过去的10年里，我见证了AP计算机科学官方编程语言的变化，从1999年的Pascal到c++，从2004年的c++到Java。去年，在AP考试中占25%的案例分析题目从海洋生物模拟改为GridWorld模拟。
对于任何高中老师来说，即使他们有足够的基础知识和学院的支持，跟上这些修改是一个相当大的挑战。在AP课程或任何高中课程中，很少有其他科目会遇到AP计算机科学老师要求的这种水平的波动。因此，许多教师不能或不愿继续教授这门课程，并随着课程内容的每次调整而退出。没有课程和教师，很少有学生有机会学习计算机科学的基础知识。
参与人数低的另一个原因可以归因于注册该课程的女性和少数民族学生人数较少。在2007年的两场AP计算机科学考试中，只有17%的考生是女性，这是所有AP课程中女性考生比例最低的。此外，只有11%的考生是非裔美国人、美洲印第安人或拉丁美洲人。显然，很难维持那些在学生群体中所占比例如此之低的课程。
我的研究表明，这些低参与率可以归因于学生、家长和教育工作者对计算机科学学科的误解;少数女性或少数族裔的计算机科学榜样;表示课程困难而枯燥;一套教师和咨询师的信念系统，他们会假设谁会在这门课上表现好;缺乏课堂以外的学生支持;缺乏合格的教师;少数民族比例高和贫困程度高的学校缺乏这门课程;以及在课堂环境中弱的，甚至不吸引人的教学方法。在我们开始解决这些问题之前，计算机科学课程缺乏多样性将继续影响入学人数，并限制塑造计算机学科的创造力。
AP计算机科学课程的低入学率的第三个原因与课程本身的内容有关。例如，“A”课程几乎只关注面向对象的编程方法、算法、数据结构和抽象。虽然这些主题肯定是许多大学一年级课程的核心，但它们不一定是最吸引学生的主题，因为他们在娱乐和学术领域体验到更令人兴奋的计算机应用。目前的AP课程未能明确学生所熟悉的计算机科学和现代技术之间的联系。除了最擅长技术的学生，AP计算机科学课程在捕捉这一学科对21世纪的年轻人的兴奋之情方面有所欠缺。然而，大学理事会的目标是在高等教育中复制最常见的计算机科学入门内容。因此，大学教师必须在他们自己的课程中解决这个问题，以推动AP课程的改变，吸引更多的学生进入Kuniversity的计算管道。
当然，其他非ap的计算机课程在高中也会定期开设，比如网页设计、动画、机器人和桌面出版。学生对这些课程表现出更多的兴趣，因为它们的入门点更容易，并且能够通过设计网页、动画和其他自己选择的创作将自己的兴趣融入到课程内容中。然而，我和同事进行的大量定性研究表明，这些课程的设计通常更多地关注技能发展，而不是计算的理论基础。相应的，这些课程往往设在职业教育部门。
这些研究发现详细记录在我们最近出版的书中，被困在浅层末端:教育、种族和计算，一个展示了在这些课程中如何使用插图软件复制黄页广告，使用绘图程序创建简单的动画人物，以及使用基本的Web开发软件布局模板创建静态网页。学生不是学习技术基础上的科学，而是被引导成为现有软件应用程序的用户。因此，这些课程很少有资格进入大学预科électives，所以很少有即将进入大学的学生注册。
最近，出现了其他有前景的课程，它们使用Alice软件、媒体计算和其他创新方法来教授计算机科学，提供严格的计算体验。虽然这些课程很有前途，但大多数还没有成为地区或州大学预科课程的一部分。
在洛杉矶，我和我的同事在国家科学基金会(NSF)的支持下，在过去的几年里致力于扩大高中学生，特别是少数族裔和女性学生对计算机的参与。由于AP计算机科学的严格性质，以及它作为大学预科课程的地位，我们最初围绕这门课程组织了我们的专业发展计划和学生拓展努力。我们的战略取得了迅速而显著的初步成果;在三年内，女孩的参与人数增加了两倍，拉丁美洲人的参与人数增加了四倍，整个地区的课程总注册人数增加了一倍。但是，由于之前讨论的AP课程的持续挑战，我们现在正在改变方向，开发一门新的大学预科计算机科学课程，“探索计算机科学”。这一努力也得到了NSF的支持，为主要的计算概念提供了更引人入胜的介绍。
以学院推荐的课程主题为基础ACM K12计算机科学模型课程，“探索计算机科学”融合了“现代计算机科学”(二级)和“作为分析与设计的计算机科学”(三级)的主要概念。本课程包括人机交互、问题解决方法、网页设计、Scratch软件编程、数据建模和机器人技术等单元。课程采用探究式教学方法，让学生参与单元项目，使他们能够将新兴的计算知识应用于现实问题。计算机概念和计算机科学家的不同表现形式贯穿整个课程。此外，利用主要概念的职业选择将突出强调，以解决有关计算机科学就业市场的性质。
我们必须为学生提供一门超越编程、代表计算机的想象力、创造性、协作性和复杂性的引人入胜的课程。
这门课程不会只吸引一小部分学生，而是将作为一门学术选修课纳入地区高中的大学预科课程，因此将比AP课程招收更多的学生。教师的持续专业发展将伴随着这门新课程，形成性和总结性研究将记录这门课程在介绍计算机主题方面的优势和劣势。我们相信这种综合的方法将帮助学生和教师理解和欣赏计算的多个方面，而不是将计算机科学等同于计算机编程。有必要指出的是，如果没有与洛杉矶联合学区，特别是学区中学科学主任和他的工作人员的强大的地区/大学合作伙伴关系，这门课程的发展是不可能的。
这门新课程也将帮助有兴趣注册AP计算机科学的学生做好准备。我希望重新设计AP计算机科学“A”课程的委员会也将拓宽其概念，在修订的课程大纲中融入什么主题和教学方法，以吸引更多的学生，特别是传统上代表性不足的学生群体，到重新设计的课程。保持AP计算机科学的严谨性是很重要的，但这门课程也应该是相关的，有意义的，并吸引各种各样的学生。然而，如前所述，该委员会改革AP课程内容的能力受到美国大学理事会对学院和大学第一年课程的调查结果的限制。
加强大学预科计算机科学课程对大学及更高水平的计算机科学学科的健康发展至关重要。从2000年到2006年，新申报的计算机科学专业的人数下降了44%，这可能是由于在上大学前缺乏对该领域的代表性了解，以及有关计算机职业的错误信息。尽管在高中和大学学习计算机科学的学生数量在过去几年中有所下降，直到最近才趋于稳定，但美国劳工统计局(Bureau of Labor Statistics)将计算机科学列为未来10年增长最快的专业领域。事实上，在依赖大学教育的六个增长最快的职业中，有五个需要计算机科学学位。
考虑到计算机科学对全球学术、经济和安全部门的重要性，我们必须开始重新考虑在初中和高中计算机流水线开始阶段为学生提供的计算机科学教育机会。我们必须为学生提供一门超越编程、代表计算机的想象力、创造性、协作性和复杂性的引人入胜的课程。这可能会增加整体入学人数，吸引更多不同类型的学生进入该领域，并为学习计算机科学的意义提供急需的形象改造。然而，这当然是我们不能指望K12教育者自己去做的事情。对计算机科学课程进行重新编程需要K12和大学之间强有力的合作，在计算机科学教育的整个流程中发挥作用。
脚注
a. J. Margolis等人，被困在浅层末端:教育、种族和计算。麻省理工学院出版社，剑桥，马萨诸塞州，2008年。
DOI: http://doi.acm.org/10.1145/1400214.1400225
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