本文核心要點(diǎn)：

2026年3月12日，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院發(fā)布《K-12教育中的數(shù)據(jù)與計(jì)算：基礎(chǔ)能力》重磅報(bào)告，系統(tǒng)闡述了數(shù)據(jù)與計(jì)算時(shí)代背景下，K-12學(xué)生必須掌握的七項(xiàng)基礎(chǔ)能力，并提出了將數(shù)據(jù)與計(jì)算融入數(shù)學(xué)、科學(xué)等核心課程的實(shí)踐路徑。

報(bào)告認(rèn)為，數(shù)據(jù)和計(jì)算已滲透至社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，理解并運(yùn)用數(shù)據(jù)正成為公民參與和個(gè)人決策的關(guān)鍵能力。為此，報(bào)告確立了七項(xiàng)跨學(xué)科、跨年級(jí)的基礎(chǔ)能力：提出問(wèn)題與解決問(wèn)題的過(guò)程、生成和處理數(shù)據(jù)、抽象與算法思維、概率與推斷性推理、模型與表征、技術(shù)與社會(huì)、數(shù)據(jù)與計(jì)算系統(tǒng)。

在實(shí)施層面，報(bào)告提出將數(shù)據(jù)與計(jì)算內(nèi)容系統(tǒng)性地融入現(xiàn)有數(shù)學(xué)和科學(xué)課程，而非簡(jiǎn)單增設(shè)獨(dú)立課程。同時(shí)，報(bào)告呼吁加強(qiáng)教師的數(shù)據(jù)與計(jì)算教學(xué)能力培養(yǎng)，推動(dòng)州、學(xué)區(qū)、學(xué)校、家庭及社區(qū)多方協(xié)同的系統(tǒng)性變革，確保每一位學(xué)生都能獲得培養(yǎng)數(shù)據(jù)與計(jì)算基礎(chǔ)能力的切實(shí)機(jī)會(huì)。

報(bào)告從課程設(shè)計(jì)、教師培養(yǎng)、技術(shù)整合、政策協(xié)調(diào)等維度提出了14項(xiàng)具體建議，為美國(guó)K-12教育體系應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)代的挑戰(zhàn)提供了清晰的路線圖。

以下為正文

2026年3月12日，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院發(fā)布《K12教育中的數(shù)據(jù)與計(jì)算：基礎(chǔ)能力》（Data and Computing in K–12 Education：Foundational Competencies）報(bào)告，提出了一套旨在培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)與計(jì)算基礎(chǔ)素養(yǎng)的連貫一致的全國(guó)性框架。

該報(bào)告確立了七項(xiàng)跨學(xué)科與跨年級(jí)的基礎(chǔ)能力，并深入探討了這些能力如何與現(xiàn)有的STEM標(biāo)準(zhǔn)及課堂教學(xué)實(shí)踐相契合。此外，報(bào)告還提供了將數(shù)據(jù)與計(jì)算內(nèi)容融入K-12教育體系提供了指導(dǎo)，以進(jìn)一步強(qiáng)化數(shù)學(xué)與科學(xué)核心領(lǐng)域的學(xué)習(xí)成效。

通過(guò)對(duì)課程、教師培養(yǎng)、專業(yè)學(xué)習(xí)、技術(shù)普及、評(píng)估以及系統(tǒng)層級(jí)協(xié)調(diào)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的全面審視，該報(bào)告呼吁各方采取持續(xù)且協(xié)同一致的行動(dòng)，以確保每一位學(xué)生都能獲得富有實(shí)效的良機(jī)，從而培養(yǎng)數(shù)據(jù)與計(jì)算素養(yǎng)。

該報(bào)告的主要內(nèi)容概述如下：

一、數(shù)據(jù)與計(jì)算為何重要？

報(bào)告認(rèn)為，數(shù)據(jù)與計(jì)算在社會(huì)各領(lǐng)域、勞動(dòng)力需求和K-12教育中越來(lái)越重要。

首先，過(guò)去幾十年，數(shù)據(jù)和計(jì)算已滲透至社會(huì)幾乎所有方面，涵蓋通信、政治、商業(yè)乃至國(guó)家安全。人們逐漸認(rèn)識(shí)到，數(shù)據(jù)的無(wú)處不在要求我們具備新的理解與技能。理解數(shù)據(jù)和計(jì)算，正日益成為參與各類社會(huì)活動(dòng)及處理醫(yī)療、金融、時(shí)事、投票等日常事務(wù)的必需。更廣泛而言，提升具備數(shù)據(jù)與計(jì)算素養(yǎng)的人口規(guī)模，有望增強(qiáng)公民生活、促進(jìn)社會(huì)交流，并助力改善世界。

其次，數(shù)據(jù)和計(jì)算對(duì)于各類職業(yè)都至關(guān)重要，其重要性遠(yuǎn)不止于STEM領(lǐng)域。如今，從焊接、農(nóng)業(yè)到木材生產(chǎn)，眾多傳統(tǒng)行業(yè)的工作都日益依賴相關(guān)的知識(shí)與技能。數(shù)據(jù)科學(xué)與計(jì)算更推動(dòng)了人類基因組測(cè)序、極端天氣預(yù)報(bào)、社會(huì)趨勢(shì)分析等一系列廣泛領(lǐng)域的進(jìn)步。這意味著，無(wú)論學(xué)生未來(lái)投身STEM領(lǐng)域還是其他行業(yè)，都必須在某種程度上熟悉數(shù)據(jù)和計(jì)算，才能成功融入未來(lái)的勞動(dòng)力隊(duì)伍。

最后，將數(shù)據(jù)和計(jì)算融入現(xiàn)有K-12 STEM課程，使其更準(zhǔn)確地反映當(dāng)代STEM實(shí)踐，是一項(xiàng)重要優(yōu)先事項(xiàng)。隨著科學(xué)與工程日益以數(shù)據(jù)為中心并更加依賴計(jì)算，STEM教育也需要持續(xù)加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)和計(jì)算的關(guān)注，以幫助學(xué)生了解科學(xué)與工程領(lǐng)域的專業(yè)人員是如何工作的。實(shí)踐證明，數(shù)據(jù)和計(jì)算的學(xué)習(xí)在嵌入特定領(lǐng)域情境并應(yīng)用于具體問(wèn)題時(shí)，比抽象討論更為有效。

二、什么是數(shù)據(jù)和計(jì)算

在該報(bào)告中，數(shù)據(jù)指的是一個(gè)廣義概念，既包括對(duì)事物屬性的測(cè)量，也包括對(duì)這些測(cè)量結(jié)果的使用。數(shù)據(jù)可以是以結(jié)構(gòu)化形式存在的信息，如關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的一系列案例及其屬性；也可以泛指以數(shù)字方式存儲(chǔ)的信息，如關(guān)鍵詞、鍵值數(shù)據(jù)庫(kù)等。

計(jì)算則是一個(gè)比計(jì)算機(jī)科學(xué)或編程更為寬泛的概念?！坝?jì)算”涵蓋了所有依托計(jì)算機(jī)而開(kāi)展的各項(xiàng)工作，其中包括軟件開(kāi)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、AI、信息技術(shù)、量子信息、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)科學(xué)等領(lǐng)域的議題與實(shí)踐，以及所有利用計(jì)算機(jī)解決現(xiàn)實(shí)世界問(wèn)題的途徑。

三、數(shù)據(jù)與計(jì)算在美國(guó)K-12教育中的實(shí)施現(xiàn)狀是如何的？

報(bào)告指出，數(shù)據(jù)和計(jì)算在STEM領(lǐng)域及對(duì)于理解日常生活都很重要，其融入K–12教育的各項(xiàng)工作不斷加強(qiáng)，并在近期拓展至AI和量子信息科學(xué)等領(lǐng)域。

然而，盡管目前已開(kāi)設(shè)了相關(guān)的數(shù)據(jù)與計(jì)算課程，但修讀這些課程的學(xué)生比例依然極低。學(xué)?，F(xiàn)有的STEM學(xué)科完全可以提供一個(gè)適宜的語(yǔ)境，幫助學(xué)生理解如何運(yùn)用并實(shí)踐數(shù)據(jù)與計(jì)算知識(shí)。

1.計(jì)算納入K-12教育的發(fā)展歷程

美國(guó)早在20世紀(jì)70年代就提出所有學(xué)生都應(yīng)該發(fā)展計(jì)算能力（computing），2006年開(kāi)始，計(jì)算思維（computational thinking）作為一種能力在計(jì)算機(jī)科學(xué)教育中逐漸得到普及。

2010年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）啟動(dòng)“21世紀(jì)計(jì)算教育”（Computing Education for the 21st Century，CE21）項(xiàng)目；2014年將其調(diào)整為“STEM-C伙伴計(jì)劃：21世紀(jì)計(jì)算教育”（STEM-C Partnerships: Computing Education for the 21st Century，STEM-CP: CE21），其目標(biāo)是滿足K-12 STEM教育整體發(fā)展的需求，以及提升計(jì)算機(jī)科學(xué)教育的普及程度。

2015年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)又將“STEM-C伙伴計(jì)劃：21世紀(jì)計(jì)算教育“改為”STEM+C“（STEM+計(jì)算伙伴計(jì)劃），將重點(diǎn)更多地投向K–12階段的計(jì)算教育及其與STEM領(lǐng)域的融合。該計(jì)劃歷時(shí)四年，催生了一系列處于STEM與計(jì)算機(jī)科學(xué)交匯點(diǎn)上的重大研究項(xiàng)目。盡管“數(shù)據(jù)科學(xué)”一詞并未直接出現(xiàn)在該計(jì)劃的名稱中，但對(duì)融合了計(jì)算與數(shù)據(jù)要素的STEM學(xué)習(xí)進(jìn)行探索，卻是該計(jì)劃的一項(xiàng)明確預(yù)期。

2016年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)推出“全民計(jì)算機(jī)科學(xué)：研究實(shí)踐伙伴關(guān)系”（Computer Science for All: Research Practitioner Partnerships，CS for All: RPP）項(xiàng)目，旨在提升學(xué)校提供計(jì)算機(jī)科學(xué)課程的能力，并擴(kuò)大弱勢(shì)群體的參與。

這些計(jì)劃/項(xiàng)目推動(dòng)了計(jì)算思維和計(jì)算機(jī)科學(xué)教育研究的發(fā)展，但至今尚未實(shí)現(xiàn)各州、各學(xué)校和學(xué)生群體之間的均衡覆蓋。

2.計(jì)算機(jī)科學(xué)課程的發(fā)展歷程

在美國(guó)，計(jì)算（Computing）在高中課程中或作為獨(dú)立的計(jì)算課程或作為計(jì)算機(jī)科學(xué)課程已開(kāi)設(shè)幾十年，并在近年計(jì)算相關(guān)課程逐步從選修拓展為核心課程。目前，超過(guò)60%的學(xué)生有機(jī)會(huì)選修高中計(jì)算機(jī)科學(xué)課程，且每年約有6.4%的高中生實(shí)際修讀了計(jì)算機(jī)科學(xué)課程。此外，近幾年來(lái)，小學(xué)和初中階段對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)的關(guān)注度也有所提升。

美國(guó)在國(guó)家層面也在努力擴(kuò)大K-12的計(jì)算機(jī)科學(xué)。例如，計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（ACM）等組織2016年聯(lián)合發(fā)布《K–12 計(jì)算機(jī)科學(xué)框架》（K–12 Computer Science Framework），計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（Computer Science Teachers Association，CSTA）2011年發(fā)布《K–12計(jì)算機(jī)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》等，提出了適用于K–12階段計(jì)算機(jī)科學(xué)教育的核心概念與實(shí)踐準(zhǔn)則。

此外，受到國(guó)家科學(xué)基金會(huì)“擴(kuò)大參與計(jì)算聯(lián)盟（Broadening Participation in Computing Alliance，BPC-A）”項(xiàng)目資助的“拓展計(jì)算機(jī)教育途徑”（Expanding Computing Education Pathways，ECEP）聯(lián)盟，通過(guò)支持各州層面的計(jì)算教育改革來(lái)增加進(jìn)入計(jì)算及計(jì)算密集型學(xué)位深造的學(xué)生人數(shù)。國(guó)家婦女與信息技術(shù)中心（National Center for Women and Information Technology NCWIT）同樣接受國(guó)家科學(xué)基金會(huì)該項(xiàng)目的資助，通過(guò)“計(jì)算機(jī)抱負(fù)計(jì)劃”（Aspirations in Computing）等創(chuàng)新項(xiàng)目，致力于擴(kuò)大技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)中的參與廣度。

大學(xué)先修課程（AP）也是擴(kuò)大高中學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算課程的重要機(jī)會(huì)。AP計(jì)算機(jī)科學(xué)A于1984年推出，AP計(jì)算機(jī)科學(xué)原理（AP Computer Science Principles）于2016年推出。后者旨在為非專業(yè)學(xué)生提供計(jì)算機(jī)科學(xué)的入門性學(xué)習(xí)內(nèi)容。2024年，有17.5萬(wàn)名學(xué)生參加AP計(jì)算機(jī)科學(xué)原理考試，9.8萬(wàn)名學(xué)生參加AP計(jì)算機(jī)科學(xué)A考試。

截至2024年，44個(gè)州采納了計(jì)算機(jī)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，全美60%的公立高中提供至少一門基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)科學(xué)課程，約6%的高中生選修計(jì)算機(jī)科學(xué)課程。州級(jí)政策和資金支持持續(xù)增長(zhǎng)——2023年各州為K-12計(jì)算機(jī)科學(xué)教育撥款超過(guò)1.2億美元，創(chuàng)歷史新高。越來(lái)越多的州制定K-12計(jì)算機(jī)科學(xué)教育計(jì)劃、為K-12計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)撥款、并要求所有學(xué)校提供計(jì)算機(jī)科學(xué)課程。

3.人工智能、量子信息科學(xué)教育現(xiàn)狀

在AI教育方面，美國(guó)教育部于2023年發(fā)布《AI與教學(xué)的未來(lái)》報(bào)告。國(guó)家科學(xué)基金會(huì)自2018年起通過(guò)“學(xué)生與教師創(chuàng)新技術(shù)體驗(yàn)”（Innovative Technology Experiences for Students and Teachers，ITEST）等項(xiàng)目資助AI素養(yǎng)與教育工作。

其他的努力包括TeachAI和人工智能K-12倡議（Artificial Intelligence for K–12 initiative，AI4K12）。此外，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)提供資金專門用于資助為K-12人工智能教育擴(kuò)充資源的項(xiàng)目。

其中AI4K12項(xiàng)目始于2018年，是計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）與人工智能促進(jìn)協(xié)會(huì)（AAAI）共同發(fā)起的一項(xiàng)合作項(xiàng)目，該項(xiàng)目提出包括五大核心理念（感知、表征與推理、學(xué)習(xí)、自然交互、社會(huì)影響）的AI教育框架，并建立了AI教學(xué)在線資源目錄和在線社區(qū)。目前正在制定K-12人工智能教育指南。

其他組織也在開(kāi)發(fā)K-12人工智能教育指南和資源，如麻省理工學(xué)院的“社會(huì)賦權(quán)與教育的負(fù)責(zé)任人工智能”（Responsible AI for Social Empowerment and Education）項(xiàng)目提供免費(fèi)課程與教學(xué)資源。TeachAI平臺(tái)近期發(fā)布指導(dǎo)意見(jiàn)，幫助計(jì)算機(jī)科學(xué)教師和學(xué)校管理者理解計(jì)算機(jī)科學(xué)教育中的AI基礎(chǔ)問(wèn)題。計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)2025年發(fā)布《面向所有K-12學(xué)生的AI學(xué)習(xí)優(yōu)先事項(xiàng)》報(bào)告，并正在修訂其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

在量子信息科學(xué)教育方面，已開(kāi)展小規(guī)模教師專業(yè)發(fā)展項(xiàng)目及K-12量子信息課程擴(kuò)展研究，旨在加強(qiáng)學(xué)生對(duì)這一STEM領(lǐng)域的社會(huì)影響及就業(yè)前景的認(rèn)識(shí)。此外，國(guó)家Q-12教育伙伴關(guān)系（National Q-12 Education Partnership）制定文件闡明了基本的量子概念及其在當(dāng)前科學(xué)和數(shù)學(xué)課程中的應(yīng)用。

國(guó)家科學(xué)基金會(huì)自2020年以來(lái)資助多個(gè)相關(guān)項(xiàng)目，旨在深入探索量子信息科學(xué)的學(xué)習(xí)規(guī)律、開(kāi)發(fā)相應(yīng)的教學(xué)課件與活動(dòng)方案，并為教師提供專業(yè)的進(jìn)修與培訓(xùn)服務(wù)。例如，2020年資助了“面向未來(lái)量子信息學(xué)習(xí)者的關(guān)鍵概念”（Key Concepts for Future Quantum Information Science Learners）研討會(huì)，隨后又資助開(kāi)發(fā)了一套拓展性的框架，以指導(dǎo)面向低齡學(xué)習(xí)者的未來(lái)量子信息科學(xué)課程開(kāi)發(fā)工作。該框架包括量子信息科學(xué)9大概念，并特別指出了量子信息科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)以及數(shù)學(xué)等學(xué)科之間的內(nèi)在聯(lián)系。

目前美國(guó)多數(shù)量子教育項(xiàng)目采用將量子模塊融入現(xiàn)有科學(xué)和數(shù)學(xué)課程的路徑，例如“全民量子”項(xiàng)目（Quantum for All）和“量子計(jì)算數(shù)學(xué)與物理”（QCaMP）項(xiàng)目；少數(shù)專門學(xué)校開(kāi)設(shè)獨(dú)立量子課程，這些課程通常由非營(yíng)利性教育機(jī)構(gòu)提供，或開(kāi)設(shè)于那些擁有拓展型科學(xué)課程體系的特色學(xué)校之中。俄亥俄州和得克薩斯州已將量子信息概念納入州教育標(biāo)準(zhǔn)，科羅拉多州于2025年發(fā)布藍(lán)圖，強(qiáng)調(diào)量子職業(yè)與技術(shù)教育路徑。

4.數(shù)據(jù)（科學(xué)）納入K-12教育的發(fā)展歷程

數(shù)據(jù)在美國(guó)K-12教育中由來(lái)已久，長(zhǎng)期以來(lái)主要作為數(shù)學(xué)和科學(xué)課程的一部分。1989年和2000年，美國(guó)數(shù)學(xué)教師協(xié)會(huì)（National Council of Teachers of Mathematics，NCTM）分別發(fā)布《學(xué)校數(shù)學(xué)課程與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》及《學(xué)校數(shù)學(xué)的原則與標(biāo)準(zhǔn)》，將數(shù)據(jù)與概率列為K-12階段的重要內(nèi)容。2010年發(fā)布的《州共同核心數(shù)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》（Common Core State Standards for Mathematics）將測(cè)量與數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)與概率作為貫穿各年級(jí)的核心領(lǐng)域。

近年來(lái)，數(shù)據(jù)科學(xué)的重要性日益凸顯。2024年，美國(guó)社會(huì)科學(xué)協(xié)會(huì)（National Council for the Social Studies，NCSS）、美國(guó)數(shù)學(xué)教師協(xié)會(huì)、美國(guó)科學(xué)教學(xué)協(xié)會(huì)（National Science Teaching Association，NSTA）、美國(guó)統(tǒng)計(jì)協(xié)會(huì)（American Statistical Association，ASA）及計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（Computer Science Teachers Association，CSTA）聯(lián)合發(fā)布立場(chǎng)聲明，呼吁在K-12各學(xué)科中引入并教授數(shù)據(jù)科學(xué)。ExcelinEd等組織也在推動(dòng)各州將數(shù)據(jù)科學(xué)納入K-12教育。

美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）通過(guò)STEM+C項(xiàng)目及其他STEM教育項(xiàng)目資助數(shù)據(jù)科學(xué)教育工作。其中一個(gè)較早的K-12計(jì)算與數(shù)據(jù)課程及教師專業(yè)發(fā)展項(xiàng)目是Mobilize項(xiàng)目，該項(xiàng)目為高中階段開(kāi)發(fā)了“探索計(jì)算機(jī)科學(xué)”課程中的數(shù)據(jù)單元，以及一門獨(dú)立的“數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論”（Introduction to Data Science，IDS）課程。該課程在加州影響廣泛，并逐步被俄勒岡州采納。

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校達(dá)納中心（Charles A. Dana Center at The University of Texas at Austin）和數(shù)據(jù)科學(xué)全民聯(lián)盟（Data Science for Everyone，DS4E）是推動(dòng)數(shù)據(jù)科學(xué)教育及州級(jí)政策的兩大重要力量。達(dá)納中心主辦的“啟航年倡議”（Launch Years Initiative）連接并支持23個(gè)州的數(shù)據(jù)科學(xué)教育工作，為學(xué)生提供數(shù)學(xué)咨詢指導(dǎo)、數(shù)據(jù)科學(xué)相關(guān)新課程以及通向高等數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的路徑。數(shù)據(jù)科學(xué)全民聯(lián)盟致力于收集數(shù)據(jù)科學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀信息，推動(dòng)全美K-12學(xué)生掌握數(shù)據(jù)素養(yǎng)。其數(shù)據(jù)顯示，2019年俄亥俄州是全美唯一擁有全州性數(shù)據(jù)科學(xué)教育項(xiàng)目的州，而到2025年，已有35個(gè)州開(kāi)展了相關(guān)項(xiàng)目。

各州將數(shù)據(jù)科學(xué)納入教育的路徑不盡相同。多數(shù)州將其歸入數(shù)學(xué)教育，也有州將其納入職業(yè)技術(shù)教育（Career and Technical Education，CTE），學(xué)生修讀數(shù)據(jù)科學(xué)系列課程后可獲得特定軟件或行業(yè)的數(shù)據(jù)分析認(rèn)證。實(shí)施年級(jí)也各有差異——多數(shù)州集中在高中階段，部分州著手在6-12年級(jí)推進(jìn)，新澤西州則從2-5年級(jí)開(kāi)始，逐步向更高年級(jí)延伸。馬里蘭州、弗吉尼亞州和北卡羅來(lái)納州已將數(shù)據(jù)科學(xué)納入數(shù)學(xué)課程體系，制定了具體的課程與教學(xué)指導(dǎo)。

2025年，數(shù)據(jù)科學(xué)全民聯(lián)盟發(fā)布《K-12數(shù)據(jù)素養(yǎng)與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)習(xí)進(jìn)階》（K-12 Data Literacy and Data Science Learning Progressions），提出五大學(xué)習(xí)主題：秉性與責(zé)任、數(shù)據(jù)生成與整理、分析與建模技術(shù)、問(wèn)題與結(jié)果解釋、可視化與溝通。每個(gè)主題下設(shè)多個(gè)子主題及相應(yīng)的概念與示例。

5.計(jì)算與數(shù)據(jù)教育在K-12中面臨的挑戰(zhàn)

盡管將計(jì)算與數(shù)據(jù)納入K-12教育的努力取得了一定進(jìn)展，但仍面臨多重挑戰(zhàn)。

首先，課程體系本身已十分擁擠。這一問(wèn)題在小學(xué)階段尤為突出，英語(yǔ)語(yǔ)言藝術(shù)和數(shù)學(xué)占據(jù)了絕大部分教學(xué)時(shí)間。即便在初中和高中階段，要增加完整的計(jì)算與數(shù)據(jù)系列課程也空間有限。

其次，當(dāng)前各項(xiàng)努力呈現(xiàn)碎片化態(tài)勢(shì)。計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)、人工智能等領(lǐng)域的倡導(dǎo)力量各自為政，推動(dòng)獨(dú)立的學(xué)科標(biāo)準(zhǔn)，相互爭(zhēng)奪本就有限的教學(xué)課時(shí)。此外，單純?cè)鲈O(shè)獨(dú)立的計(jì)算與數(shù)據(jù)課程，未必是支持學(xué)生學(xué)習(xí)的最有效途徑?，F(xiàn)有證據(jù)表明，那些與現(xiàn)實(shí)世界情境緊密結(jié)合的、基于問(wèn)題與項(xiàng)目的教學(xué)方法，才是支持學(xué)生學(xué)習(xí)最為行之有效的方式。這類源于現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題與項(xiàng)目，往往需要跨越不同學(xué)校學(xué)科進(jìn)行整合。再者，若一味追求制定獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)設(shè)獨(dú)立的課程或項(xiàng)目，便會(huì)忽視現(xiàn)有的良機(jī)——即把數(shù)據(jù)與計(jì)算相關(guān)的內(nèi)容融入數(shù)學(xué)、科學(xué)等既有的核心學(xué)科之中。

再次，缺乏既精通數(shù)據(jù)與計(jì)算相關(guān)主題、又對(duì)教授這些內(nèi)容充滿信心的教師；亟需開(kāi)發(fā)高質(zhì)量的教學(xué)材料；以及現(xiàn)有州級(jí)政策與標(biāo)準(zhǔn)所造成的阻礙。當(dāng)前正在推進(jìn)的眾多舉措之間缺乏協(xié)調(diào)，這也構(gòu)成了一項(xiàng)挑戰(zhàn)。涉及數(shù)據(jù)與計(jì)算的各類相關(guān)但彼此獨(dú)立的舉措層出不窮，這使得那些在數(shù)據(jù)、計(jì)算或相關(guān)STEM領(lǐng)域缺乏專業(yè)知識(shí)的教育工作者、教育領(lǐng)導(dǎo)者及政策制定者，難以確定應(yīng)如何調(diào)整課程體系，也難以知曉該如何落實(shí)眾多已提出的構(gòu)想。

最后，計(jì)算及相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)迭代日新月異，新興領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)。這意味著學(xué)生所需的知識(shí)與技能也在快速變化，課程設(shè)計(jì)既要培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的基礎(chǔ)能力，又要使其具備適應(yīng)未來(lái)變化的靈活性，且絕非僅憑單門課程所能企及。

四、數(shù)據(jù)與計(jì)算領(lǐng)域的基礎(chǔ)能力有哪些？

為確定學(xué)習(xí)者在理解及運(yùn)用數(shù)據(jù)與計(jì)算方面所需的基礎(chǔ)能力，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院組建的“為數(shù)據(jù)和計(jì)算未來(lái)能力培養(yǎng)委員會(huì)”（Committee on Developing Competencies for the Future of Data and Computing），聚焦K-12教育學(xué)段，系統(tǒng)審查了計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)、數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、科學(xué)和工程學(xué)等領(lǐng)域的現(xiàn)有概念框架與標(biāo)準(zhǔn)文件，識(shí)別其中的重疊與差異之處，形成初步能力集合。隨后，通過(guò)對(duì)每項(xiàng)潛在能力相關(guān)研究證據(jù)的考察和深入討論，最終確立了七項(xiàng)數(shù)據(jù)與計(jì)算的基礎(chǔ)能力（Foundational Competencies）。

從更廣義的角度理解，這些基礎(chǔ)能力可被視為一種解決問(wèn)題的思維模式和工具包——能夠以易于解決的方式處理問(wèn)題（通過(guò)諸如分解和模式識(shí)別等方法），使解決方案具有通用性（這樣它就可以適應(yīng)或應(yīng)用于廣泛的問(wèn)題或情境，而不僅僅局限于單一的特定用例），并使解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化（由機(jī)器執(zhí)行）。

這七項(xiàng)基礎(chǔ)能力與內(nèi)容知識(shí)存在密切聯(lián)系，且相互支撐、彼此關(guān)聯(lián)，在實(shí)際運(yùn)用中往往需要同時(shí)調(diào)動(dòng)多項(xiàng)能力。

能力1：提出問(wèn)題與解決問(wèn)題的過(guò)程

該能力指學(xué)生能夠界定問(wèn)題或疑問(wèn)，確定解決問(wèn)題的步驟，運(yùn)用工具嘗試解答，反思整個(gè)過(guò)程，決定下一步行動(dòng)，并在必要時(shí)進(jìn)行迭代。其組成部分包括：界定問(wèn)題或疑問(wèn)、確定解決問(wèn)題的步驟、反思與迭代。

能力2：生成和處理數(shù)據(jù)

該能力指學(xué)生能夠生成數(shù)據(jù)并評(píng)估數(shù)據(jù)質(zhì)量，為不同目的組織和整理數(shù)據(jù)，并通過(guò)探索與可視化數(shù)據(jù)來(lái)初步回答問(wèn)題。其組成部分包括：生成數(shù)據(jù)（測(cè)量與數(shù)據(jù)溯源）、組織數(shù)據(jù)（案例/屬性結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)操作）、探索與數(shù)據(jù)可視化。

能力3：抽象、算法思維與自動(dòng)化

該能力指學(xué)生能夠運(yùn)用抽象和邏輯推理能力，以系統(tǒng)化、分步驟的方式設(shè)計(jì)并表達(dá)問(wèn)題解決方案，并探索自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理與計(jì)算過(guò)程的概念與方法。其組成部分包括：在不同情境中創(chuàng)建抽象并將其應(yīng)用于編程、針對(duì)不同規(guī)模的問(wèn)題發(fā)展算法思維、識(shí)別創(chuàng)建并運(yùn)用自動(dòng)化解決方案。

能力4：概率與推斷性推理

該能力指學(xué)生能夠識(shí)別變異性與不確定性的來(lái)源，發(fā)展概率性理解，運(yùn)用規(guī)范的檢驗(yàn)程序開(kāi)展統(tǒng)計(jì)調(diào)查與推斷，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行合理解釋與概括。其組成部分包括：識(shí)別不確定性與變異性的來(lái)源及影響、認(rèn)識(shí)概率統(tǒng)計(jì)與確定性推理的作用并加以運(yùn)用、以適當(dāng)?shù)拇_定性程度進(jìn)行推斷與預(yù)測(cè)。

能力5：模型與表征

該能力指學(xué)生能夠構(gòu)建并運(yùn)用模型與表征來(lái)探究現(xiàn)象、解決問(wèn)題。他們能夠根據(jù)情境和數(shù)據(jù)選擇合適的模型，評(píng)估模型與表征的局限性，并認(rèn)識(shí)到任何建?；顒?dòng)都內(nèi)含著不確定性。其組成部分包括：構(gòu)建與運(yùn)用模型和表征、評(píng)估模型與表征的質(zhì)量、認(rèn)識(shí)所有模型與表征的局限性。

能力6：技術(shù)與社會(huì)

該能力指學(xué)生能夠識(shí)別、預(yù)見(jiàn)并應(yīng)對(duì)技術(shù)與社會(huì)、價(jià)值觀、倫理和責(zé)任之間的張力。其組成部分包括：對(duì)過(guò)程與產(chǎn)品的反思、對(duì)自我與社會(huì)的反思。

能力7：數(shù)據(jù)與計(jì)算系統(tǒng)

該能力學(xué)生能夠更深入地理解那些為解決復(fù)雜問(wèn)題和應(yīng)對(duì)未來(lái)變化提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)和計(jì)算工具及系統(tǒng)。其組成部分包括：識(shí)別數(shù)據(jù)與計(jì)算系統(tǒng)的要素、選擇與運(yùn)用數(shù)據(jù)和計(jì)算系統(tǒng)、所有權(quán)和開(kāi)放性與可及性。

五、數(shù)據(jù)與計(jì)算的基礎(chǔ)能力與現(xiàn)有STEM學(xué)科如何銜接？

報(bào)告指出，數(shù)據(jù)與計(jì)算的七項(xiàng)基礎(chǔ)能力與K-12教育中已有的數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、科學(xué)和工程學(xué)等框架緊密相連。這些能力是對(duì)現(xiàn)有學(xué)科內(nèi)容的延伸與增強(qiáng)，而非替代。通過(guò)在學(xué)科教學(xué)中融入這些能力，學(xué)生可以在學(xué)習(xí)傳統(tǒng)內(nèi)容的同時(shí)，逐步建立起數(shù)據(jù)與計(jì)算素養(yǎng)。

1.與數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)的銜接

數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)為數(shù)據(jù)與計(jì)算能力的培養(yǎng)提供了豐富土壤?！秾W(xué)校數(shù)學(xué)的原則與標(biāo)準(zhǔn)》（Principles and Standards for School Mathematics）、《州共同核心數(shù)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》（CCSSM）、《數(shù)學(xué)建模教育評(píng)估與教學(xué)指南》（GAIMME）以及《統(tǒng)計(jì)學(xué)教育評(píng)估與教學(xué)指南II》（GAISE II）等框架，都與7項(xiàng)基礎(chǔ)能力存在廣泛交集。

例如，基礎(chǔ)能力1（提出問(wèn)題與解決問(wèn)題的過(guò)程）與《學(xué)校數(shù)學(xué)的原則與標(biāo)準(zhǔn)》中過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)的“問(wèn)題解決”、《數(shù)學(xué)建模教育評(píng)估與教學(xué)指南》中的“識(shí)別問(wèn)題”“做出假設(shè)”要素、《州共同核心數(shù)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》的數(shù)學(xué)實(shí)踐“理解問(wèn)題并堅(jiān)持不懈解決它們”以及《統(tǒng)計(jì)學(xué)教育評(píng)估與教學(xué)指南II》中的統(tǒng)計(jì)問(wèn)題解決過(guò)程“制定統(tǒng)計(jì)調(diào)查問(wèn)題”相銜接。

2.與科學(xué)和工程學(xué)的銜接

科學(xué)和工程學(xué)同樣為基礎(chǔ)能力提供了重要依托?！禟-12科學(xué)教育框架》和《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》明確將多項(xiàng)與數(shù)據(jù)、計(jì)算相關(guān)的實(shí)踐納入其中。

例如，這兩個(gè)文件中的“分析與解讀數(shù)據(jù)”實(shí)踐要求學(xué)生收集、整理、繪圖、進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并利用數(shù)據(jù)作為證據(jù)來(lái)支持其主張、識(shí)別規(guī)律及解釋現(xiàn)象，這與數(shù)據(jù)與計(jì)算基礎(chǔ)能能力2直接關(guān)聯(lián)。

報(bào)告同時(shí)指出，盡管這些基礎(chǔ)能力在一定程度上已存在于當(dāng)前的科學(xué)和數(shù)學(xué)框架之中，但從幼兒園開(kāi)始，學(xué)生本可以逐步建立運(yùn)用數(shù)據(jù)和計(jì)算來(lái)探究、評(píng)估和理解周圍世界的更復(fù)雜知識(shí)。然而，目前對(duì)這些能力的關(guān)注程度似乎還不足以讓學(xué)生為日益復(fù)雜和技術(shù)化的世界做好準(zhǔn)備，尤其是在小學(xué)階段，投入的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

六、如何設(shè)計(jì)有效的學(xué)習(xí)體驗(yàn)來(lái)培養(yǎng)基礎(chǔ)能力？

學(xué)習(xí)科學(xué)的研究表明，學(xué)習(xí)是一個(gè)主動(dòng)的、社會(huì)的、建構(gòu)性的過(guò)程，貫穿人的一生。學(xué)習(xí)者帶著已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)入課堂，這些先驗(yàn)知識(shí)深刻影響著新知識(shí)的學(xué)習(xí)。動(dòng)機(jī)和身份認(rèn)同也是學(xué)習(xí)過(guò)程的重要組成部分——當(dāng)學(xué)生看到學(xué)習(xí)內(nèi)容與自身的關(guān)聯(lián)和價(jià)值時(shí)，他們會(huì)更有動(dòng)力、更能持久投入。對(duì)某一學(xué)科的學(xué)習(xí)需要持續(xù)、延展的機(jī)會(huì)，在不同情境中反復(fù)接觸同一概念，才能實(shí)現(xiàn)深度理解。此外，對(duì)社會(huì)文化的關(guān)注也應(yīng)融入教學(xué)設(shè)計(jì)，使學(xué)習(xí)體驗(yàn)更具包容性和相關(guān)性。

1.設(shè)計(jì)有效學(xué)習(xí)體驗(yàn)的幾點(diǎn)考慮

基于上述學(xué)習(xí)科學(xué)原理，報(bào)告提出設(shè)計(jì)有效學(xué)習(xí)體驗(yàn)的四項(xiàng)策略：

第一，幫助學(xué)生明確看到數(shù)據(jù)與計(jì)算與其他學(xué)科領(lǐng)域的聯(lián)系；

第二，在單一課程或課程序列中有意識(shí)地涉及多項(xiàng)基礎(chǔ)能力，凸顯能力之間的相互關(guān)聯(lián)；

第三，將能力培養(yǎng)嵌入學(xué)生感興趣、有意義、有現(xiàn)實(shí)關(guān)聯(lián)的問(wèn)題或項(xiàng)目中；

第四，為學(xué)生提供反思自身學(xué)習(xí)過(guò)程的機(jī)會(huì)。

這些策略可以通過(guò)運(yùn)用教學(xué)設(shè)計(jì)框架來(lái)落實(shí)。當(dāng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)圍繞數(shù)據(jù)和計(jì)算的多學(xué)科融合進(jìn)行設(shè)計(jì)，融入豐富的社會(huì)科學(xué)情境，并為學(xué)生留出反思學(xué)習(xí)的時(shí)間時(shí)，科學(xué)和STEM教師將承擔(dān)與傳統(tǒng)教學(xué)不同的角色和內(nèi)容。這種師生角色的轉(zhuǎn)變可以幫助學(xué)生更像專業(yè)人員一樣體驗(yàn)STEM，為學(xué)生發(fā)展積極的STEM身份認(rèn)同以及拓展對(duì)科學(xué)工作方式的理解提供機(jī)會(huì)。

此外，設(shè)計(jì)有意義的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，讓學(xué)生在尊重學(xué)生經(jīng)驗(yàn)與社區(qū)的基礎(chǔ)上深入接觸基礎(chǔ)能力，需要一種合乎倫理、以人為本的方法。包容性教學(xué)法的相關(guān)模式——如知識(shí)財(cái)富理論（funds of knowledge）、文化持續(xù)性教學(xué)法（culturally sustaining pedagogies）、復(fù)合教學(xué)法（complex instruction）等——為開(kāi)發(fā)更公平的學(xué)習(xí)體驗(yàn)提供了框架。其關(guān)鍵特征包括：盡早引入數(shù)據(jù)和計(jì)算、提供多樣化的示例和情境、將學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)生的生活和社區(qū)建立聯(lián)系。為了培養(yǎng)學(xué)生的歸屬感，數(shù)據(jù)科學(xué)與計(jì)算學(xué)習(xí)環(huán)境需要提供多元的參與方式和切入點(diǎn)，多樣化的榜樣示范，以及發(fā)揮學(xué)生能動(dòng)性的機(jī)會(huì)。

2.與技術(shù)工具的有效整合

技術(shù)工具是數(shù)據(jù)和計(jì)算學(xué)習(xí)體驗(yàn)的核心組成部分。報(bào)告強(qiáng)調(diào)，沒(méi)有“完美”的工具，關(guān)鍵在于理解不同工具的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)景，并根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)做出明智選擇。

在整合數(shù)據(jù)和計(jì)算工具時(shí)，需要考慮以下問(wèn)題：工具提供了哪些支架式支持？數(shù)據(jù)科學(xué)與編程之間是否存在張力？編程對(duì)于使用該工具是核心要素還是非必須知識(shí)？工具強(qiáng)調(diào)哪些知識(shí)和技能？學(xué)生能否在這個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)境之外繼續(xù)參與數(shù)據(jù)科學(xué)實(shí)踐？工具具備哪些功能，缺乏哪些功能？這些功能的具備或缺乏在引導(dǎo)學(xué)生參與數(shù)據(jù)科學(xué)教育時(shí)帶來(lái)了哪些限制？在課堂中使用該工具是否存在倫理問(wèn)題（如數(shù)據(jù)隱私、社會(huì)情感關(guān)切）？工具的采用和使用并非孤立進(jìn)行，其效果取決于它所嵌入的教學(xué)系統(tǒng)、課程和學(xué)習(xí)體驗(yàn)本身的質(zhì)量。

報(bào)告指出，現(xiàn)有多種計(jì)算工具可供學(xué)生處理多元數(shù)據(jù)集，同時(shí)也存在經(jīng)過(guò)整理的數(shù)據(jù)集，可在適當(dāng)時(shí)機(jī)降低學(xué)生接觸和使用數(shù)據(jù)的門檻。

K-12階段的學(xué)生借助各類強(qiáng)大的數(shù)字工具，能夠開(kāi)展復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)分析、解決復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題，并運(yùn)用先進(jìn)的AI系統(tǒng)來(lái)應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的問(wèn)題，此類學(xué)習(xí)體驗(yàn)有助于培養(yǎng)學(xué)生有效運(yùn)用數(shù)據(jù)與計(jì)算的能力。

另外，多種編程環(huán)境和數(shù)據(jù)分析工具可助力學(xué)生深入掌握數(shù)據(jù)與計(jì)算相關(guān)能力，但無(wú)需借助數(shù)字技術(shù)的非插電式學(xué)習(xí)體驗(yàn)同樣具有價(jià)值，能夠幫助學(xué)生培養(yǎng)相關(guān)能力。對(duì)于K-8年級(jí)學(xué)生而言，這類無(wú)屏幕學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)在構(gòu)建概念理解方面可能尤為有效。

此外，目前許多K-12階段的學(xué)生和教師正在使用生成式AI。這為學(xué)校提供了契機(jī)——通過(guò)課程和討論，引導(dǎo)學(xué)生探討與AI使用相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用及倫理問(wèn)題，包括如何評(píng)估AI輸出結(jié)果的有效性。

七、如何將數(shù)據(jù)與計(jì)算有效融入現(xiàn)有課程體系？

報(bào)告指出，盡管數(shù)據(jù)與計(jì)算相關(guān)內(nèi)容已在多種課程和學(xué)科中有所涉及，但它們從未成為美國(guó)K-12教育的明確核心。目前，學(xué)生鮮有機(jī)會(huì)以系統(tǒng)化的方式發(fā)展數(shù)據(jù)和計(jì)算能力，多數(shù)體驗(yàn)只是短暫的、零散的接觸。研究表明，支持學(xué)生學(xué)習(xí)的最佳途徑是提供持續(xù)且反復(fù)的課程教學(xué)，并將這些課程與學(xué)生既往的學(xué)習(xí)經(jīng)歷緊密相連。這種模式能保證各年級(jí)學(xué)習(xí)內(nèi)容的連貫性，讓學(xué)生逐步深入、循序漸進(jìn)地學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。

報(bào)告認(rèn)為，在數(shù)據(jù)和計(jì)算以及科學(xué)和數(shù)學(xué)等內(nèi)容領(lǐng)域之間建立有意義和有目的的跨學(xué)科聯(lián)系，對(duì)于支持學(xué)生的學(xué)科學(xué)習(xí)具有巨大的潛力。這種“融入”——即在所有學(xué)生均需修讀的常規(guī)課程情境下建立這些聯(lián)系——能夠確保所有學(xué)生都能廣泛接觸相關(guān)內(nèi)容，而不僅僅局限于那些選修了專門針對(duì)數(shù)據(jù)或計(jì)算開(kāi)設(shè)的獨(dú)立課程的學(xué)生。

將數(shù)據(jù)與計(jì)算內(nèi)容融入現(xiàn)有的科學(xué)和數(shù)學(xué)課程中既能提升現(xiàn)有課程的質(zhì)量，又能為學(xué)生提供連貫且一致的體驗(yàn)，使其接觸并掌握相關(guān)基礎(chǔ)能力。鑒于在學(xué)校課程中新增內(nèi)容所面臨的挑戰(zhàn)，以及將數(shù)據(jù)與計(jì)算內(nèi)容融入現(xiàn)有課程的巨大潛力，報(bào)告認(rèn)為，增設(shè)那些僅有極少數(shù)學(xué)生有時(shí)間修讀的課程，無(wú)助于實(shí)現(xiàn)“幫助所有學(xué)生熟悉數(shù)據(jù)與計(jì)算相關(guān)主題及方法”這一更宏大的目標(biāo)。相反，將數(shù)據(jù)與計(jì)算主題融入現(xiàn)有學(xué)科和課程中，是一種切實(shí)可行的方法，有望提升課程的連貫性與普及度。

當(dāng)前K–12教育體系中，課程設(shè)置、科目安排及畢業(yè)要求的現(xiàn)有架構(gòu)，為引入專注于數(shù)據(jù)與計(jì)算內(nèi)容的全新獨(dú)立課程所提供的機(jī)會(huì)十分有限。若能采取多種方式，從小學(xué)階段就將數(shù)據(jù)與計(jì)算領(lǐng)域的基礎(chǔ)能力融入現(xiàn)有的學(xué)校學(xué)科領(lǐng)域（如科學(xué)、社會(huì)科學(xué)和數(shù)學(xué)）之中，可構(gòu)建出一套更為連貫的數(shù)據(jù)與計(jì)算課程體系。這種融入式教學(xué)方法有助于學(xué)生不僅理解相關(guān)主題的復(fù)雜性，還能領(lǐng)悟這些主題與其他學(xué)科之間的內(nèi)在聯(lián)系。

實(shí)施這種融入式教學(xué)方法，需要州級(jí)教育部門、地方教育機(jī)構(gòu)、各級(jí)學(xué)校及廣大教師的共同努力，同時(shí)也離不開(kāi)教學(xué)材料編寫(xiě)者及專業(yè)發(fā)展培訓(xùn)提供者的積極配合。

八、如何培養(yǎng)教師的數(shù)據(jù)與計(jì)算教學(xué)能力？

報(bào)告指出，數(shù)據(jù)與計(jì)算影響著社會(huì)的每一個(gè)方面，因此與學(xué)校每一門學(xué)科都相關(guān)。這種跨學(xué)科性，以及它們?cè)贙-12核心內(nèi)容領(lǐng)域中的多種應(yīng)用方式，為培養(yǎng)教師將數(shù)據(jù)與計(jì)算融入其他學(xué)科提供了契機(jī)。然而，這種普遍性和跨學(xué)科性也帶來(lái)了一項(xiàng)挑戰(zhàn)：沒(méi)有一個(gè)特定的情境或?qū)W科可以作為將數(shù)據(jù)與計(jì)算教學(xué)融入課程的主要著力點(diǎn)。

在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)和計(jì)算的應(yīng)用已經(jīng)形成了穩(wěn)固且重要的基礎(chǔ)，因此數(shù)學(xué)教師培養(yǎng)項(xiàng)目對(duì)數(shù)據(jù)相關(guān)內(nèi)容有一定程度的關(guān)注。但隨著數(shù)據(jù)與計(jì)算在科學(xué)、社會(huì)科學(xué)等學(xué)科中的應(yīng)用日益廣泛，這些學(xué)科的教師也需要接受充分的培養(yǎng)，以便將數(shù)據(jù)與計(jì)算融入各自的教學(xué)領(lǐng)域。

1.教師開(kāi)展數(shù)據(jù)與計(jì)算教學(xué)需要什么知識(shí)

報(bào)告指出，有效的數(shù)據(jù)與計(jì)算教學(xué)需要教師同時(shí)具備內(nèi)容知識(shí)（content knowledge）和學(xué)科教學(xué)知識(shí)（Pedagogical Content Knowledge）。在內(nèi)容知識(shí)方面，多個(gè)專業(yè)組織（如計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)、國(guó)家數(shù)學(xué)教師委員會(huì)、數(shù)學(xué)科學(xué)理事會(huì)、美國(guó)統(tǒng)計(jì)協(xié)會(huì)等）已為教師應(yīng)掌握的知識(shí)內(nèi)容提供了指導(dǎo)框架，涉及計(jì)算系統(tǒng)、算法、數(shù)據(jù)分析等。在學(xué)科教學(xué)知識(shí)方面，則涉及如何將學(xué)科內(nèi)容轉(zhuǎn)化為學(xué)生易于理解的形式，識(shí)別學(xué)生常見(jiàn)的理解難點(diǎn)，并能夠根據(jù)學(xué)生的反應(yīng)調(diào)整教學(xué)策略。

2.教師獲取數(shù)據(jù)與計(jì)算相關(guān)知識(shí)面臨的挑戰(zhàn)

報(bào)告指出，數(shù)據(jù)與計(jì)算在所有學(xué)科領(lǐng)域中均發(fā)揮著作用，因此所有教師一定程度都有責(zé)任向?qū)W生傳授這些主題，但當(dāng)前在職前和在職教育以及認(rèn)證中還面臨著一些挑戰(zhàn)。

在職前教育階段，無(wú)論是中學(xué)教師還是小學(xué)教師，在職前培養(yǎng)階段都不一定學(xué)習(xí)過(guò)數(shù)據(jù)與計(jì)算相關(guān)課程。這些主題在整個(gè)職前課程中占據(jù)何種位置、涵蓋哪些內(nèi)容，本身就是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。由于職前教師培養(yǎng)項(xiàng)目普遍缺乏學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)與計(jì)算基礎(chǔ)能力的機(jī)會(huì)，所以許多教師候選人畢業(yè)時(shí)并不具備在K-12階段促進(jìn)數(shù)據(jù)與計(jì)算教學(xué)的能力。此外，不同大學(xué)之間差異顯著——有的大學(xué)設(shè)有專門針對(duì)職前教師的內(nèi)容課程，而其他大學(xué)的職前教師則與學(xué)科專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)完全相同的內(nèi)容課程。這使得教師通常不熟悉計(jì)算與編程，因?yàn)樗⒉皇锹毲敖處熃逃?jì)劃的常規(guī)組成部分。

在在職教育階段，隨著需要接受計(jì)算與數(shù)據(jù)培訓(xùn)教師人數(shù)的增加，對(duì)州、區(qū)域或地方層面支持體系的需求也隨之增長(zhǎng)。但由于缺乏充足的資金或能力，在職專業(yè)發(fā)展并不總是得到學(xué)校和學(xué)區(qū)的支持，高質(zhì)量的專業(yè)學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)也并不廣泛。例如，2023年，共有25個(gè)州向計(jì)算機(jī)科學(xué)教育領(lǐng)域撥款1.2億美元；2024年，參與撥款的州數(shù)量增加至39個(gè)，但撥款總額卻降至約8600萬(wàn)美元。

在認(rèn)證方面，各州對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)教師的認(rèn)證要求差異較大，目前尚不存在專門的數(shù)據(jù)科學(xué)教師資格認(rèn)證。由于具備計(jì)算背景的人才在非教育領(lǐng)域往往能獲得更高薪酬，計(jì)算機(jī)科學(xué)教師的招募面臨困難。替代認(rèn)證途徑為吸引更多人才進(jìn)入教學(xué)領(lǐng)域提供了可能，但這些途徑的質(zhì)量保障仍需關(guān)注。

九、實(shí)施數(shù)據(jù)與計(jì)算教育需要怎樣的系統(tǒng)性變革？

報(bào)告指出，將數(shù)據(jù)與計(jì)算作為所有學(xué)生的預(yù)期學(xué)習(xí)目標(biāo)的一部分，需要多層面的變革和行動(dòng)者的協(xié)同努力。決策者不僅需要考慮學(xué)校課程，還需要考慮影響K-12學(xué)生參與數(shù)據(jù)與計(jì)算學(xué)習(xí)的更廣泛的生態(tài)系統(tǒng)。國(guó)家層面的努力可以提供資源和動(dòng)力，但實(shí)施需要州和地方層面的決策與投入。地方層面的議題和貢獻(xiàn)包括學(xué)區(qū)、學(xué)校、家庭與多個(gè)社區(qū)行動(dòng)者（如校外時(shí)間提供者）之間的聯(lián)系，此外還有學(xué)生和家庭本身。

家庭參與在塑造學(xué)生對(duì)計(jì)算及更廣泛STEM領(lǐng)域的興趣、歸屬感、選擇和參與方面發(fā)揮著關(guān)鍵的多方面作用。從早期接觸到鼓勵(lì)，從成為榜樣到提供動(dòng)力，家庭對(duì)學(xué)生STEM之旅貢獻(xiàn)良多。通過(guò)促進(jìn)家庭、學(xué)校和社區(qū)之間的強(qiáng)大伙伴關(guān)系，可以建立一個(gè)強(qiáng)大的支持系統(tǒng)，培養(yǎng)下一代STEM創(chuàng)新者和領(lǐng)導(dǎo)者，并確保所有學(xué)生都能在日常生活中充分參與數(shù)據(jù)與計(jì)算的學(xué)習(xí)。

考慮到當(dāng)前學(xué)校和學(xué)區(qū)的結(jié)構(gòu)與限制，完全實(shí)現(xiàn)一個(gè)優(yōu)先教授和學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)與計(jì)算的教育系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。需要短期和長(zhǎng)期的變革，以確保所有學(xué)生都具備基礎(chǔ)能力素養(yǎng)，并準(zhǔn)備好應(yīng)對(duì)學(xué)校和社會(huì)中的新數(shù)字技術(shù)。優(yōu)先在課程開(kāi)發(fā)者、變革倡導(dǎo)者、家庭和教育者之間采用更連貫、更協(xié)調(diào)的方法，可以從現(xiàn)在就開(kāi)始，并首先改善學(xué)生的學(xué)習(xí)。改變政策，特別是與課程和教師專業(yè)學(xué)習(xí)相關(guān)的政策，可能需要更多時(shí)間。

美國(guó)K-12教育體系及其所處社會(huì)的復(fù)雜性意味著，需要許多行動(dòng)者和行動(dòng)來(lái)增加和改進(jìn)數(shù)據(jù)與計(jì)算學(xué)習(xí)。州教育機(jī)構(gòu)掌控著畢業(yè)要求和問(wèn)責(zé)制度。地方教育機(jī)構(gòu)控制著技術(shù)和教學(xué)資源的采購(gòu)，以及州和聯(lián)邦政策的實(shí)施。這兩個(gè)層級(jí)的機(jī)構(gòu)都負(fù)責(zé)跟蹤課程并記錄學(xué)習(xí)成果。同時(shí)，資助者對(duì)支持學(xué)習(xí)研究、開(kāi)發(fā)基于證據(jù)的教學(xué)材料和資源至關(guān)重要。所有這些行動(dòng)者之間的協(xié)調(diào)，有助于加強(qiáng)關(guān)于數(shù)據(jù)與計(jì)算教學(xué)的專業(yè)學(xué)習(xí)。

十、加強(qiáng)數(shù)據(jù)與計(jì)算學(xué)習(xí)的政策建議是什么？

報(bào)告從將數(shù)據(jù)與計(jì)算納入K-12教育、支持?jǐn)?shù)據(jù)與計(jì)算教師、推動(dòng)系統(tǒng)性變革三個(gè)方面提出了14項(xiàng)建議。

1.將數(shù)據(jù)與計(jì)算納入K-12教育

建議1：數(shù)據(jù)與計(jì)算對(duì)于STEM及其他領(lǐng)域的工作至關(guān)重要；因此，州和地方教育機(jī)構(gòu)應(yīng)制定計(jì)劃，以連貫一致的方式將數(shù)據(jù)與計(jì)算納入學(xué)校課程，使這些主題在整個(gè)K-12教育中獲得更高的優(yōu)先級(jí)。這些變革應(yīng)以加強(qiáng)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)和科學(xué)學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行。為確保學(xué)生獲得高質(zhì)量的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，應(yīng)考慮以下原則：在所有年級(jí)，學(xué)習(xí)體驗(yàn)應(yīng)主要側(cè)重于將數(shù)據(jù)與計(jì)算的基礎(chǔ)能力融入現(xiàn)有學(xué)校學(xué)科，并提供幫助所有學(xué)生在所有內(nèi)容領(lǐng)域發(fā)展這些能力的學(xué)習(xí)活動(dòng)；所有學(xué)生都應(yīng)有機(jī)會(huì)選修專注于數(shù)據(jù)和計(jì)算的獨(dú)立課程，雖然此類課程可能在中學(xué)開(kāi)始，但最合適的時(shí)間是高中階段。

建議2：在選擇采用的課程時(shí)，州和地方教育機(jī)構(gòu)應(yīng)優(yōu)先考慮那些能幫助學(xué)生看到數(shù)據(jù)、計(jì)算與其他學(xué)校學(xué)科之間聯(lián)系的課程，并且這些課程能在多個(gè)課程、單元和年級(jí)中為學(xué)生提供明確的機(jī)會(huì)來(lái)發(fā)展數(shù)據(jù)和計(jì)算的基礎(chǔ)能力。

建議3：州和地方教育機(jī)構(gòu)、學(xué)校和教師應(yīng)從幼兒園開(kāi)始，在各個(gè)內(nèi)容領(lǐng)域?yàn)閷W(xué)生創(chuàng)造接觸數(shù)據(jù)和計(jì)算的機(jī)會(huì)，以提供逐步建立更復(fù)雜知識(shí)的遞進(jìn)式體驗(yàn)，幫助所有學(xué)生運(yùn)用數(shù)據(jù)和計(jì)算來(lái)探究、評(píng)估和理解他們周圍的世界。這些體驗(yàn)應(yīng)在常規(guī)課程中進(jìn)行，主題應(yīng)面向所有學(xué)生，并旨在促進(jìn)所有學(xué)生的成功。

建議4：各州和地方教育機(jī)構(gòu)應(yīng)評(píng)估任何與數(shù)據(jù)和計(jì)算相關(guān)的新課程或要求對(duì)現(xiàn)有畢業(yè)要求的影響。具體而言，他們應(yīng)考慮新增內(nèi)容是否加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)科學(xué)或數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)，以及任何新增內(nèi)容對(duì)先前科學(xué)或數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)期望的影響。

建議5：課程開(kāi)發(fā)者以及自行開(kāi)發(fā)教學(xué)材料的教師，應(yīng)使用基礎(chǔ)能力作為闡述學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)和設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)和計(jì)算相關(guān)學(xué)習(xí)體驗(yàn)的指南。此方法應(yīng)同時(shí)適用于融合課程和獨(dú)立課程。學(xué)習(xí)體驗(yàn)應(yīng)包含以下特點(diǎn)：學(xué)生參與他們認(rèn)為有意義的、基于問(wèn)題或項(xiàng)目的體驗(yàn)；學(xué)生有機(jī)會(huì)參與“不插電”和“插電”的課程和活動(dòng)；學(xué)生使用技術(shù)工具的方式，應(yīng)有助于他們學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)和計(jì)算，了解工具本身，以及學(xué)習(xí)如何為特定目的選擇工具；學(xué)生參與關(guān)于AI的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，了解其機(jī)遇、潛在用途、緊張關(guān)系、局限性和風(fēng)險(xiǎn)；學(xué)生評(píng)估倫理在數(shù)據(jù)和計(jì)算相關(guān)決策中的作用，并反思用于數(shù)據(jù)和計(jì)算的技術(shù)對(duì)社會(huì)的影響，包括新技術(shù)的實(shí)際影響以及潛在的短期和長(zhǎng)期后果。

建議6：課程開(kāi)發(fā)者應(yīng)設(shè)計(jì)資源，支持教師開(kāi)展融合式學(xué)習(xí)體驗(yàn)，有意地將數(shù)學(xué)、科學(xué)和工程學(xué)融入以數(shù)據(jù)和計(jì)算為重點(diǎn)的課程，同時(shí)也支持將數(shù)據(jù)和計(jì)算融入數(shù)學(xué)、科學(xué)和工程學(xué)課程。當(dāng)數(shù)據(jù)和計(jì)算與其他學(xué)校學(xué)科融合時(shí)，應(yīng)明確討論，以幫助學(xué)生增進(jìn)對(duì)數(shù)據(jù)和計(jì)算的理解，并了解它們?nèi)绾闻c其他學(xué)科的思想相聯(lián)系。開(kāi)發(fā)者應(yīng)與教學(xué)法、數(shù)據(jù)和計(jì)算以及其他相關(guān)內(nèi)容領(lǐng)域的專家合作，以確定適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)成果，并設(shè)計(jì)資源來(lái)支持為所有學(xué)生提供有意義且有效的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

2.支持?jǐn)?shù)據(jù)與計(jì)算教師

建議7：專業(yè)發(fā)展提供者應(yīng)為教師設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，讓他們?cè)谧约核淌诘膶W(xué)科以及他們預(yù)期要實(shí)施的課程背景下體驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算能力。對(duì)于通科教師（通常為K-6年級(jí)教師），專業(yè)學(xué)習(xí)應(yīng)是跨學(xué)科的，并模仿能力本身固有的融合方法。對(duì)于有特定學(xué)科認(rèn)證的教師（通常為初中和高中教師），專業(yè)學(xué)習(xí)應(yīng)具有情境性，并側(cè)重于優(yōu)先考慮在課程中接觸數(shù)據(jù)和計(jì)算如何能夠加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)。

建議8：教師培養(yǎng)項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人應(yīng)擴(kuò)大職前教師專攻計(jì)算的機(jī)會(huì)，包括利用與計(jì)算機(jī)科學(xué)系的合作途徑。與專注于數(shù)據(jù)的系科或項(xiàng)目（如數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)、工程學(xué)）的類似合作，也可能適合擴(kuò)大職前教師的機(jī)會(huì)。

建議9：所有職前教師都需要在其培養(yǎng)過(guò)程中有機(jī)會(huì)熟悉計(jì)算和數(shù)據(jù)。教育學(xué)院和其他教師培養(yǎng)途徑的負(fù)責(zé)人需要為職前教師候選人提供：熟悉基礎(chǔ)能力以及更廣泛的計(jì)算和數(shù)據(jù)領(lǐng)域的機(jī)會(huì)；使他們做好準(zhǔn)備，將計(jì)算和數(shù)據(jù)，特別是基礎(chǔ)能力，融入他們所教學(xué)科的體驗(yàn)。

3.推動(dòng)系統(tǒng)性變革

建議10：州和地方教育機(jī)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)衡量學(xué)生、學(xué)校和學(xué)區(qū)參與數(shù)據(jù)和計(jì)算學(xué)習(xí)體驗(yàn)的指標(biāo)，以記錄融合體驗(yàn)和獨(dú)立課程的提供情況，并跟蹤有過(guò)這些體驗(yàn)的學(xué)生的成果。

建議11：倡導(dǎo)增加K-12學(xué)生數(shù)據(jù)和計(jì)算學(xué)習(xí)的團(tuán)體、專業(yè)學(xué)會(huì)和其他非營(yíng)利領(lǐng)導(dǎo)組織，應(yīng)優(yōu)先努力推進(jìn)基礎(chǔ)能力的教學(xué)。他們應(yīng)致力于支持州和學(xué)區(qū)將數(shù)據(jù)和計(jì)算主題融入現(xiàn)有課程的努力。

建議12：在K-12教育中提升和融合計(jì)算和數(shù)據(jù)需要多個(gè)領(lǐng)域的額外投資和協(xié)調(diào)。慈善、商業(yè)、工業(yè)和政府領(lǐng)域的資助者，應(yīng)在聽(tīng)取學(xué)校、學(xué)區(qū)、行政人員和教師意見(jiàn)的基礎(chǔ)上，考慮為課程開(kāi)發(fā)、專業(yè)發(fā)展以及技術(shù)的購(gòu)買和持續(xù)維護(hù)提供支持。他們還應(yīng)為教師提供支持，使其能夠?qū)W習(xí)課程或向數(shù)據(jù)和計(jì)算專業(yè)人士學(xué)習(xí)，從而培養(yǎng)專業(yè)知識(shí)并將其帶入課堂。對(duì)教育的投資不應(yīng)以采購(gòu)專有技術(shù)和/或收集學(xué)生或教師數(shù)據(jù)為條件。

建議13：在選擇用于數(shù)據(jù)和計(jì)算相關(guān)教學(xué)的技術(shù)工具時(shí)，行政人員和教育者應(yīng)：制定政策并分配資金，以促進(jìn)數(shù)字和物理可訪問(wèn)性，包括遵守《美國(guó)殘疾人法案》，使所有學(xué)生和教師都能使用這些工具；投資于專業(yè)發(fā)展，使教師能夠有效使用現(xiàn)有工具，并有持續(xù)的支持來(lái)整合新工具；為初始采購(gòu)成本以及持續(xù)的維護(hù)、升級(jí)和技術(shù)支持成本分配資金；制定與數(shù)據(jù)訪問(wèn)和學(xué)生隱私相關(guān)的政策。

建議14：與數(shù)學(xué)、科學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)和計(jì)算相關(guān)的專業(yè)學(xué)會(huì)，以及專注于這些學(xué)科教育的組織，應(yīng)考慮重新審視其K-12框架，以提升和強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)能力，從而便于教育者看到不同學(xué)科框架之間的聯(lián)系。這些組織還應(yīng)相互協(xié)調(diào)，并以此向其社區(qū)發(fā)出信號(hào)，表明迫切需要在改進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的努力中增加連貫性。

資料來(lái)源：

National Research Council. 2026. Data and Computing in K–12 Education: Foundational Competencies. Washington, DC: The National Academies Press. https://www.nationalacademies.org/publications/29303.

[本文為教育部國(guó)別和區(qū)域研究基地中國(guó)教育科學(xué)研究院國(guó)際教育研究中心成果]

本文由中國(guó)教育科學(xué)研究院“教育國(guó)際前沿”課題組整理，課題組負(fù)責(zé)人張永軍，編輯劉強(qiáng)。點(diǎn)擊左下角閱讀原文可下載該文獻(xiàn)。