计算机科学视角下中美大学先修课程之比较与分析 x

计算机科学视角下中美大学先修课程之比较与分析 谭静仪 Bao Cheng Pan

摘要：中美贸易战的爆发进一步说明了科技兴国的重要性与紧迫性。根据我国教育改革与发展的需要，推进高中培养模式的多样化、促进中学与大学的衔接等成为近年来高中课改的一个重要方面。在此背景下，国內进行了本土化的大学先修课程的试点。而计算机科学在近年成为美国、中国乃至全世界大学教育的新热点。该文主要探讨该科目（计算机科学原理）的特点、內容以及由此浮现的美国与中国在中学计算机教学政策、內容、理念的差异以及由此得到的启发和努力的方向。

关键词：大学先修课;计算机科学;计算机教育;中学信息教育;中美比较

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）33-0145-05

在人工智能、大数据发展势如破竹的今天，掌握了计算机科学，就等于掌握了“未来的语言”。据不完全统计，80%的工科课程会用到计算机相关技能，不仅如此，理科、金融、经济等学科也越来越重视计算机编程技术的应用。不同学科和技术融合所激发出的创造力和活力引领这个时代的发展潮流。一个国家信息化发展程度也已经成为衡量其国力强弱的重要标准。

《国家中长期教育改革与发展规划纲要（2010-2020年）》中指出，中国的高中教育改革应“推进小学、中学、大学有机衔接”“深入推进课程改革”“推进培养模式多样化”。在该政策的引导下，高考改革等相关工作的持续开展，中国的大学先修课程体系也已逐渐萌芽，创建。雖然，大学先修课程早已成为许多发达国家教育体系的重要组成部分，但他们也同样有过中学大学教育的断层时期。本文将从计算机科学视角出发，以美国、中国为例，先分别对两国大学计算机先修课程的基本内容及其特点进行介绍，再对比中美在计算机科目的课程评估、课程目标、内容等方面的主要差异。最后在文末讨论我国大学计算机先修课程所面临的挑战和改革的方向。

1美国大学计算机先修课程

1.1美国大学先修课程体系

美国先修课程（Advanced Placement简称AP）考试的官方命题机构是College Board，即美国大学理事会。美国大学理事会（The College Board）是非营利性任务为导向的教育组织，其宗旨是帮助学生更好的准备进入高等教育阶段的学习并获得成功。大学理事会至今已有逾百年历史，目前，已有超过六千个会员，包括世界顶级的中小学、学区、大学，及其他教育组织。

AP项目包括AP课程和AP考试。AP课程，难度和内容相当于大一的基础课程，有三十多门可选科目，在学习完相关课程后参加AP考试，所考成绩可作为大学认可学分。

近年，已有四十多个国家的近四千所大学承认AP学分为其入学参考标准，以及对应科目考试成绩作为考生大学学分，例如帝国理工、牛津、剑桥、哈佛、耶鲁等世界顶级大学。据统计，拥有优异AP考试成绩的高中生在未来的大学学习往往有着更加出色的表现和发展，AP成绩也被看作是衡量学生学习和研究能力以及应付高难度大学课程能力的重要指标之一。

CollegeBoard对各分数的定义如表1：

若学生在AP考试中获得4分或5分，学校将有理由相信其有能力在大学课程的学习中取得良好以上的成绩。相反，若学生只考了1分或2分，学校将认为他（她）在该科目上并没有达到大学入学水平。

1.2美国计算机先修课程的兴起与发展

1.2.1美国大学先修课程的发展史

第二次世界大战后，考虑到中等教育学生的准备工作与高等教育的需求之间存在差距，福特基金会成立了促进教育发展基金。该基金资助了两个项目，第一个是由三所精英预科学校以及美国最著名的三所大学一一哈佛、普林斯顿和耶鲁共同促成的：敦促中小学和大学视自己为“共同事业的两部分”。

项目鼓励高中招募有才华的教师来设计高级课程，课程将有资格获得双高中/大学学分，并将其推广给顶尖高中高年级学生。此类项目还鼓励大学和高中共同努力，创建无缝集成的课程，促进学生轻松过渡到大学。1952年，一个11门学科的试点项目启动。1955年，美国大学理事会接管了该项目，并正式授予该项目为“大学理事会预修课程”。第一年，102所高中的1229名学生参加了AP课程，130所大学接受了AP学分。到2013年，大学理事会批准的AP课程增加了两倍，达到34门，涉及艺术、英语、历史和社会科学、数学和计算机科学、世界语言和文化等领域。

2014年，奥巴马签署了“ESSA（Every Student SucceedsAct每位学生都成功法案）”。从那时起，美国掀起了一场全国范围的计算机科学教育新浪潮。在该法案中，计算机科学被强调与数学、英语等必修学科地位同等重要。美国计算机协会CEO Bobby Schnabel评论：“将计算机科学写入ESSA是重要的里程碑”。一些美国学者更是将当年称为“计算机科学元年”。

而作为美国本地“高考”、或国际学生留美申请的大热门专业，相对应的，其大学先修课程（Advanced Placement）体系中也有相应的计算机科学（Computer Science）课程。近年来，除了原先的Computer Science A，AP课程还新增了计算机科学原理（AP Computer Science Principles）。

在计算机科学原理科目于2016年正式发布之前，比较少的学生能在STEM（即科学（Science），技术（Technology），工程（En-sineerinz），数学（Mathematics）四门学科英文首字母的缩写）课程中取得特别优秀的成绩一一尤其是女生和农村的学生。

而AP计算机科学原理成为目前AP史上最流行的一门课，大量来自各种学科背景的学生为拓宽就业机会选修这门课并投入到计算机科学的学习，可以说计算机科学原理（ComputerScience Principles）是高中AP计算机科学选修人数剧增背后的驱动力。

选修AP计算机科学原理（Computer Science Principles）课程的学生将学习计算机科学的基本概念，探索计算机和技术如何影响世界。该课程教授编程和计算机原理;并不要求学生有编程基础。

2007年，有20041名学生参加了AP计算机科学考试，到2016年，这个数字已经增长到57937人，在2017年，这个数字上升到了103797人。到2018年，这个数字又迅速增长至135992人。如图1所示：

如果用时间序列算法对该数据进行预测，可得到明年、后年该趋势仍然为递增的估计。

2018年参加AP计算机科学考试的女生人数较去年增加了39%，较前年增长了183%。2017年为27395人，2018年为38195人。而参加AP计算机科学原理（Computer Science Princi-ples）考试的女生从2017年的13328人增加到2018年的22721人，增幅高达70%。此外，在AP计算机科学原理（ComputerSci-ence Principles）考试中取得3分或3分以上成绩的女生人数增加了66%。

参加AP计算机科学考试的农村学生从2017年的10007人增加到2018年的14194人，增幅42%。农村学生参加AP计算机科学原理（Computer Science Principles）的人数增长最多，从2017年的5045人增加到2018年的8705人，增幅73%。在AP计算机科学原理（Computer Science Principles）考试中获得3分以上的农村学生比去年增加了59%。

新的AP计算机科学原理课程的普及与学生考试成绩的成功密不可分。总体而言，74.5%的学生在2017年AP计算机科学原理（Computer Science Principles）考试中获得3分或以上（如前所述，5分非常优秀，3分合格，可计人大学学件）的成绩。AP计算机科学考试的成绩与预期一致，有时甚至超出预期。

除了美国本土学生参考人数逐年上升之外，世界范围内人数众多的留学生大军也成为AP项目的主力军。目前全世界范围内共有3800所高中提供AP计算机科学原理（Computer Sci-ence Principles）课程的教学。

1.3美国大学先修课程计算机学科的学习内容、特点与评估方式

AP计算机科学原理（Computer Science Principles）主要教授的是计算机科学中的核心概念以及计算机思维模式，为此AP计算机科学原理（Computer Science Principles）还设置了7大课程核心突出AP计算机科学原理（Computer Science Principles）的重要性——课程核心内容包括如下7个要点：

（1）创造性：学生将使用计算机科学的技术或工具创造有趣以及相关的数字作品（例如：视频，动画或者程序等）。

（2）抽象：抽象在计算机科学中具有非常重要的作用，在该部分，学生将通过抽象来对世界进行建模，进行人机互动。

（3）数据和信息：数据与信息有助于知识的创造，在该部分，学生将学会如何处理数据并且将数据转换为信息和知识。

（4）算法：学生将在该部分，通过一门计算机语言来学习算法并且应用算法。

（5）编程：学生将学习编程的基本概念，以及应用于一系列项目。

（6）互联网：学生将了解互联网是如何运作的，互联网的特征以及互联网安全。

（7）全球影响：学生将分析计算机对于世界的影响。

以上提及的AP计算机科学A（Computer Science A）和AP计算机科学原理（Computer Science Principles）都是AP计算机系列中的一门课程，主要内容与计算机相关。它们的具体情况如下：

（1）学习内容

AP计算机科学A（Computer Science A）课程，以JAVA语言为基础，学习计算机的基本知识，了解JAVA语言的特点，学习计算机编程语言，学习面向对象程序设计的思想以及简单的算法。主要教授学生如何通过Java来进行编程以及解决问题。

AP计算机科学原理（Computer Science Principles）课程，则教授更为广泛以及基础的计算机知识，并且导师可以在课程中自主选择编程语言。通过AP计算机科学原理（Computer Sci-ence Principles）的学习，学生能够了解计算机科学的概貌、内容、研究方法、计算机原理，以及更高级的内容一例如大数据的处理与计算，互联网结构以及网络安全。

（2）教学思想

AP计算机科学原理（Computer Science Principles）更专注于计算机思维以及计算机应用能力的培养，该课程相比于AP计算机科学A（Computer Science A）会涉及更多的计算机知识并且不会限制计算机语言，给导师和学生更多的自主权。

AP计算机系列课程说明了未来世界里代码的重要性，而AP此次增加的计算机科学原理（Computer Science Principles）新课程，从另一方面说明越来越多的美国大学重视计算机科学（Computer Science）的综合应用。

（3）考核方式

AP计算机科学A（Computer Science A）的考试在年末，包括两个部分：L9）section 1：单选题40道，一共90分钟;section 2：简答题4道，一共90分钟。

AP計算机科学原理（Computer Science Principles）的考试包括：课程期间的两个项目报告以及年末考试（均为不定项选择题）。

当然，美国除了AP课程之外，还给高中生提供了其他各种各样的先修课程一例如IB：IB课程全称为国际预科证书课程onternational Baccalaureate Diploma Programme），是1968年由国际文凭组织（IBO）为世界范围的高中生设计的为期两年的文凭课程。IB课程难度较大，是极具水平的世界通用预科文凭，也因此被誉为世界名校敲门砖。这些高中先修计划能够很好地满足高中学生更深层次的学习、探索需求，提前培养专业人才。

2我国中学计算机教学与大学的衔接

2.1我国大学先修课程体系

可以看到，美国大学先修课程已有近70年的发展历史，已经形成了比较完整的课程体系，并且取得全球范围内很多高校的广泛认可。

相较之下，中国大学先修课程由于正处于发展起步阶段，则出现了比较分散的状况，即高校中还未形成统一认证的考试标准。目前，受到关注较多的有以下3个：

三个先修课体系的具体情况分别如下：

（1）中国教育学会针对目前我国基础教育和高等教育之间衔接存在断层的情况，联合国内多所知名大学、一流高中及教育科研服务机构共同组织实施大学先修课程试点项目。目前并未将计算机纳入考试科目行列，但可找到较多的线上计算机课程。CAP试点项目考试在每年的4月和10月举行。在全国27个省自治区直辖市有41个考点。

（2）AC中设有计算机相关科目的课程以及考试，总体上采取中学教师授课形式，由北京大学各学科专家对中学授课老师进行课程培训。开设课程的中学选派相关科目教师参加，培训后颁发证书。证书类型分初级、高级两种，初级教师培训由北京大学联合各地大学理事会高校共同开展，通过初级教师资格考核的老师可申请参加高级培训班。考试形式：除“计算概论”为上机考试外，其余科目均为纸笔考试。

（3）中国大学先修课（CAP）：在其线上课程中，未能找到相关计算机的视频课程，也并未将计算机科目纳入考试范围。理事会每年举办两次线下考试，主要学习及考试的科目包括微积分、生物学等7门。

可以发现，在上述的三个主流体系中，计算机都未列为考试科目，仅设置了少量在线课程或线下课程。在CAP（中国大学先修课程理事会）中甚至没有任何计算机相关课程。计算机科目只在AC体系中具有和其他科目较平等的地位。三个体系的认证方式，被认可的大学也不尽相同，并未统一。

2.2我国大学计算机先修课程的兴起与发展

教育兴则国家兴，教育强则国家强。我国的教育行业也一直在为降低中外差距，培养高端人才而不断努力。

事实上，我国大学先修课最早可追溯至九十年代，彼时南京金陵中学开展高考制度改革，与多所大学合作，增加英语、微积分等大学先修课程，然而，出于各方压力，该项目于几年后遇重创而中止。2012年，上海理工大学附中与国内多所高校合作进行中国大学先修课的改革探索及实践。2014年，中国教育学会仿照美国模式尝试开展大学先修课，目前，已进行多轮试点，共开设了8门大学先修课。2015年11月，清华大学牵头启动“中国MOOC大学先修课（MOOC of China AdvancedPlacement，MOOCAP）”项目，项目涉及国内多所重点中学，拉开了大学先修课课程改革的序幕。

经过发展，目前主流的中国大学先修课程体系中能找到的计算机相关课程有：

CAP（中国教育学会）：线上课程（有学分）：程序设计与算法、零基础学Python语言，C语言程序设计等。

AC：线下课程：计算概论（设置考试）。

CAP（中国大学先修课程理事会）：没有任何计算机相关课程，更无考试。

2.3我国大学计算机先修课程的内容、特点与评估方式

2.3.1课程内容

我国AC计算概论课程，与上文提及的美国计算机科学原理（Computer Science Principles）先修课程一样，可面向零基础学生。教学编程语言为C++。通过学习该课程，学生能建立起“学习计算机科学技术知识所需的基本知识背景”，掌握“计算机程序设计的基础知识”，拥有“独立设计计算机程序解决问题”的基本技能。

尽管和美国计算机科学原理（Computer Science Principles）选用语言不同，但两门课程都为学生提供了一种语法严谨、结构清晰的编程语言，让学生以此入门学习如何编写程序。不同之处在于，AC计算概论的主要介绍面向过程的问题求解，而美国计算机科学原理（Computer Science Principles）则关注面向对象的问题建模和设计理念。高中生的信息学科核心素养之一是计算思维能力，是指在运用计算机科学领域的思想方法形成问题解决方案的过程中产生的一系列思维活动能力。具备计算思维的学生在信息活动中能够采用计算机可以处理的方式界定问题、抽象特征、建立结构模型、合理组织数据;通过判断、分析与综合各种信息资源，运用合理的算法形成解决问题方案;总结利用计算机解决问题的过程与方法，并迁移到与之相关的其他问题解决之中。美国计算机科学（Computer Science）和我国AC计算概论采取不同的视角，各有侧重地培养学生的计算思维能力。

2.3.2评价方式

中国大学先修课程的总体目标是填补学生中大教育之间连接缝隙，激发学生潜能，培养其学科核心素养。

根据计算机学科核心素养进行的教学评价，以传统的笔试作为单一、主要的评价模式是不够的，而信息相关课程的一个独特之处是可以使用线上测评系统来实现作业布置和批改（2）。线上测评是程序设计训练的重要手段，学生可在线提交程序代码，在线查看代码执行结果反馈。通过线上测评系统，可以考查学生对程序设计的熟練程度，同时培养周密而扎实的编程与调试基本功，AC计算概论课程就是如此。而与AC计算概论考试不同的是，美国计算机科学（Computer Science）考试采取笔试，提供常见类方法的语法参考资料，程序编写题由阅卷者人工批阅。通过评分标准可以了解到，相比于细枝末节的语法错误，命题人更为重视学生对于程序设计理念的掌握，可以按照程序实现给相应的部分分值。这与我国计算概论考试采取线上测评的考试形式截然不同，后者的理念是"Code wins argu-ment”（代码至上），哪怕只有一点小错误，得分即为零分。

3中美计算机先修课程比较与启示

除上文提及的课程内容设置类似、评价方式不同（美国为笔试，按步骤给分;中国为在线测评，如过程序无法最终运行，则为0分）外，本部分还从以下两个方面进行比较分析，从而获得启示。

3.1我国计算机大学先修课程效果评估

大量研究表明，美国AP计算机考试的成绩与学生入学后的表现呈正相关关系。

笔者根据中山大学新华学院2018级1000名抽样学生的两门计算机课程（计算机基础和程序设计基础）及其他相关信息（包括学生MOOC计算机基础先修课学习情况、性别、MOOC程序设计先修课学习情况、所属专业、入学前是否有个人电脑、大一期末程序设计基础课程成绩、地区、是否通过计算机基础免修考试）做数据挖掘，得到如下结果：

首先，考量第一门课（计算机基础）的相关影响因素。对“是否通过计算机基础免修考试列做“分析关键影响因素”挖掘，进行分析的因素中包括除去另一门课程序设计先修课和成绩的两列外其他所有列。得到如下结果：

由上可得，对于计算机基础免修考试是否通过，相对影响最大的因素是MOOC计算机基础学习情况，其次，是学生所在地区。其中，“未曾学习”过MOOC先修课程或出生农村的同学更加倾向于“未通过”，而“学过”MOOC先修课程和省会以上城市的同学更倾向于“通过”。其他因素例如性别、专业、是否有电脑等出乎意料地并不成为关键因素。

3.2我国计算机大学先修课困境、挑战与改革方向

3.2.1困境与挑战

首先，美国是早已形成完善的大学先修课制度体系，在此基础上，利用MOOC作为辅助进一步发展先修课的。

而在我国，虽然MOOC已上线的计算机课程已数以百计，但大学计算机先修课和MOOC都只是处于发展萌芽期，当两个新生事物同时交融发展，必然引发两者自身发展和兼容两方面都需解决的问题。目前，两者都更为注重课程内容的研发，而对计算机教学内容上与高中课程结合，制度上大学与高中的有机衔接、高校间的协调互认等方面并不重视，仍存在许多问题，笔者总结为以下几个方面。

1）计算机课程在我国先修课程体系中地位较低

计算机课程在美国備受重视，在各种先修体系中都设有2门以上课程，也是目前最流行的、参考人数最多的课程。

然而，在我国，目前3个主流体系，仅有AC将计算机列为考试科目，且仅设有一门计算概论。另外两个体系甚至都未设置任何一门计算机有关科目为考试科目。

2）计算机大学先修课课程体系尚未形成统一体系。

上文提及的3个主流中国大学先修课课程体系，尚处于各不相谋、自立门户的状态，并未形成公认统一的体系，距离形成成熟可行的课程体系，还任重而道远。

3）高校间对大学先修课的标准及学分认证机制未达成共识。

美国AP、或IB的评价方式被高校广泛接受，有统一、明确的学分认证机制。

而目前，我国3个体系有各自的认证高校，但覆盖面都不广泛，互相之间也无交集，对评分标准并未达成共识，这从根本上制约我国大学先修课的发展。这将很大程度降低中学生参与先修课的动力。

4）线上考试分数不具高说服力。

我国现有的MoOC先修课程虽然设置了学分或者考试，但若直接采用线上平台进行考试，很难确认学生是否是本人操作或有何辅助工具，因此，直接将此成绩用于学分认定将存在较大问题。

3.2.2改革方向

综上所述，要稳步发展我国大学计算机先修课程制度，首先需教育部门提高计算机相关科目的地位，使之具备先修课考试资格，使得更多学生能投入该课程的学习。其次是明确计算机先修课建设中不同主体（包括高校、高中、教育管理部门等）的职责，特别是需要完善学分互认制度，理清大学计算机先修课课程本身与高中信息知识体系之间的关系。当前，中国大部分高校对直接利用先修课成绩进行学分认定还处于观望状态，我国计算机大学先修课还有很长的一段路要走。

另外，美国对于女性学生、农村学生的计算机教育等信息科目天然弱势群体的额外关注与投入也是值得我国从政策和实践上学习的。