ضرورت آموزش علوم رایانه برای دانش‌آموزان

آیا آموزش علوم رایانه برای دانش‌آموزان ضروری است؟ باراک اوباما در سخنرانی اخیر خود در کنگره، گفت: مدارس باید به همه دانش‌آموزان کلاس‌های عملی علوم رایانه ارائه دهند، تا برای ورود به نیروی کار آمادگی بهتری داشته باشند.

رئیس‌جمهور اوباما درست می‌گوید: نسل بعدی دانش‌آموزان به سطح بالایی از تسلط بر شیوه‌های تفکری نیاز خواهند داشت که در آن رایانه‌ها به‌عنوان شرکای تعاملی عمل می‌کنند.

سوال این است: بهترین راه برای اطمینان از کسب این تفکر چیست؟ آیا کلاس‌های رایانه تنها راه دست‌یابی به این هدف هستند؟

چرا آموزش علوم رایانه برای دانش‌آموزان در مدارس مهم است؟

این یک توافق گسترده است که رایانه باید نقش برجسته‌تری در کل نظام آموزشی ما داشته باشد. به همین دلیل، تلاش‌های هماهنگی برای افزایش تعداد کلاس‌های رایانه در مقاطع تحصیلی دبستان و دبیرستان در حال افزایش است.

قانون آموزش علوم، فناوری، مهندسی و ریاضی (STEM) در سال ۲۰۱۵ به تصویب رسید و با گسترش تعریف STEM (علوم، فناوری، مهندسی و ریاضی) به علوم رایانه، تلاش‌های بیشتری را در راستای آموزش STEM تشویق کرد.

هفت مورد از بزرگترین مناطق آموزشی کشور در حال افزودن کلاس‌های علوم رایانه بیشتری هستند. برای مثال، منطقه مدارس دولتی شیکاگو، برنامه‌ریزی کرده است تا تا سال ۲۰۱۸ در تمام مقاطع تحصیلی، کلاس‌های علوم رایانه داشته باشد و آن را به یکی از الزامات فارغ‌التحصیلی دبیرستان تبدیل کند. شهردار نیویورک، بیل د بلاسیو، اخیرا اعلام کرد که این شهر تا سال ۲۰۲۵ آموزش علوم رایانه (CS) را در تمام مدارس دولتی تضمین خواهد کرد.

من در حال تحقیق درباره تلاش‌ها برای معرفی علوم رایانه در مدارس هستم. همچنین در تلاش‌های ملی برای طراحی کلاس‌های CS، آموزش معلمان CS و اجرای برنامه درسی CS در مقاطع تحصیلی مختلف شرکت کرده‌ام. می‌دانم که اجرای دوره‌های CS با چالش‌های زیادی، به‌ویژه در زمینه آماده‌سازی و حفظ معلمان، روبرو شده است.

در مقابل، تلاش‌ها برای آموزش معلمان به منظور به‌کارگیری معنادار علوم رایانه در رشته‌های تخصصی خود، مانند زیست‌شناسی یا تاریخ، با مشکلات بسیار کمتری روبرو شده است. بنابراین، در حالی که معتقدم این تلاش‌ها برای افزودن دوره‌های CS خوب و ضروری هستند، کافی نیستند.

چالش‌های آموزش علوم رایانه برای دانش‌آموزان

کمبود دانش‌آموز

واقعیت این است که موفقیت چنین ابتکاراتی به‌شدت به توانایی مدارس در استخدام و نگه‌داشتن معلمان واجد شرایط و همچنین توانایی دانش‌آموزان برای ایجاد فضای درسی جدید در برنامه‌های درسی از پیش فشرده‌شان بستگی دارد.

این تصویری از وضعیت فعلی است:

در حال حاضر، به ازای هر ۱۰۰۰ دانش‌آموز دبیرستانی، کمتر از یک نفر در دوره کارآموزی (AP) علوم رایانه شرکت می‌کند که این دوره، دوره‌ی استاندارد آموزش CS برای دبیرستان‌هاست.

در واقع، Code.org، یک سازمان غیرانتفاعی پیشرو که وقف گسترش دسترسی به علوم رایانه است، گزارش می‌دهد که تعداد کلاس‌های علوم رایانه در دبیرستان – چه مقدماتی و چه AP – در دهه گذشته به‌طور چشمگیری کاهش یافته است.

از سال ۲۰۰۵، کلاس‌های مقدماتی ۱۷ درصد و کلاس‌های AP ۳۳ درصد کاهش یافته‌اند. تنها ۲۵ درصد از دبیرستان‌ها هرگونه دوره‌ای در CS ارائه می‌دهند و کمتر از ۵ درصد دوره AP CS دارند.

حتی در بهترین محیط‌های مالی، همه مدارس دوره‌هایی در زمینه علوم رایانه ارائه نمی‌دهند یا برنامه‌ای برای ارائه آن ندارند. در بیشتر مدارسی که این دوره‌ها را ارائه می‌دهند، دوره‌ها تنها اختیاری هستند و به درصد کمی از دانش‌آموزان می‌رسند.

بر اساس گزارش هیئت کالج، که امتحانات AP را پیگیری می‌کند، تنها ۲۰،۴۱۴ دانش‌آموز در سال ۲۰۱۴ در امتحان AP علوم رایانه شرکت کردند. در همین حال، حدود ۲۶۳،۰۰۰ نفر در تاریخ ایالات متحده و ۴۳۸،۵۰۰ نفر در زبان انگلیسی شرکت کردند. از کسانی که در امتحان علوم رایانه شرکت کردند، تنها ۱۸ درصد دختر و تنها ۳ درصد آمریکایی آفریقایی‌تبار بودند.

کمبود معلمان واجد شرایط

علاوه بر این، با کمبود حاد معلمان واجد شرایط برای تدریس دوره‌های علوم رایانه مواجه هستیم.

بنیاد ملی علوم آمریکا (NSF) در سال ۲۰۱۰ پروژه CS10K را با هدف آموزش ۱۰،۰۰۰ معلم علوم رایانه تا سال ۲۰۱۵ راه‌اندازی کرد. با این حال، این بنیاد در یک نشست اخیر اعلام کرد که تنها توانسته سالانه بین ۲۰۰ تا ۶۰۰ معلم را آموزش دهد، که تقریباً به معنای آموزش ۲۰۰۰ معلم است و بسیار کمتر از هدف تعیین‌شده می‌باشد.

مسائل دیگری نیز در مورد این دوره‌های آموزشی وجود دارد: این پروژه مشخص نکرده است که چه تعداد از معلمان آموزش‌دیده همچنان به تدریس علوم رایانه مشغول هستند. با توجه به تمایل معلمان جوان‌تر به سمت مشاغل صنعتی، این پروژه احتمالاً در حفظ معلمان در کار تدریس موفق نخواهد بود.

علاوه بر این، اکثر ایالت‌ها گواهینامه‌ی خاصی برای علوم رایانه ندارند و در بین معدود ایالت‌هایی که چنین گواهینامه‌ای دارند، گواهینامه ضعیف است و آن‌ها را واجد شرایط تدریس CS در دبیرستان نمی‌کند.

تمام این موارد این کار را دلهره‌آورتر می‌کند.

مدارس چه کاری می‌توانند انجام دهند؟

بنابراین، استراتژی ترجیحی، ادغام علوم رایانه در تمام دروس مدرسه است.

مطالعات اخیر آزمایشگاه من و چند آزمایشگاه دانشگاهی دیگر در ۱۰ سال گذشته نشان می‌دهد که آموزش معلمان دروس تخصصی در مورد تفکر محاسباتی در حوزه‌های درسی خود – مانند شیمی یا تاریخ – بسیار آسان‌تر از آموزش و نگه‌داشتن معلمان تمام‌وقت علوم رایانه است.

به این ترتیب، معلمان علوم رایانه را در زمینه‌ مطالبی که قبلاً می‌دانند یاد می‌گیرند و ارزش افزوده علوم رایانه را درک می‌کنند. علاوه‌براین، از آنجایی که این استراتژی شامل تمام دروس می‌شود، اطمینان می‌دهد که همه دانش‌آموزان دبیرستان، از جمله گروه‌های کم‌نماینده‌ی سنتی، به آن دسترسی داشته باشند.

با استفاده از این استراتژی، تعدادی از مطالعات نشان داده‌اند که:

• طیف وسیعی از دانش‌آموزان – نه فقط علاقه‌مندان به کامپیوتر – می‌توانند مهارت‌های علوم رایانه را یاد بگیرند.
• یادگیری مهارت‌های علوم رایانه برای دانش‌آموزان آسان است و حتی می‌تواند به آسانی یادگیری سواد مطالعه و نوشتن یا ریاضی باشد.
• مهارت‌های علوم رایانه می‌تواند به دانش‌آموزان در بهبود یادگیری در سایر زمینه‌ها کمک کند.

مزایای آموزش آموزش علوم رایانه

تفکر عمیق‌تر در مورد موضوعات درسی

علوم رایانه به دانش‌آموزان کمک می‌کند:

• تا مهارت‌های حل مسئله و تفکر انتقادی خود را ارتقا دهند.
• در دنیای پیچیده امروز، الگوها را درک و از ابزارهای جدید و نوآورانه استفاده کنند.

برای مثال، مدل‌سازی رایانه‌ای به دانش‌آموزان دوره‌ی راهنمایی اجازه می‌دهد تا الگوهای پیچیده‌ی زیادی از جهان را درک کنند.

درک‌ الگوهای پیچیده

مزایای مدل‌سازی رایانه‌ای برای دانش‌آموزان

دانش‌آموزانی که درگیر مدل‌سازی رایانه‌ای می‌شوند، می‌توانند نوسانات جمعیت شکارچیان و طعمه‌ها را در یک اکوسیستم درک کنند.همچنین، بررسی داده‌های جمعیتی گوزن شمالی و گرگ‌ها در جزیره رویال میشیگان طی بیش از ۵۰ سال، نوسانات جمعیتی این دو حیوان را به وضوح نشان می‌دهد. هنگامی که گرگ‌های زیادی وجود داشته باشند، گوزن‌های شمالی کمتری وجود دارند و هنگامی که گوزن‌های شمالی زیادی وجود داشته باشند، گرگ‌های کمتری وجود دارند.

این پدیده‌ها معمولاً در سطح دانشگاه و با استفاده از ریاضیات پیشرفته‌ی حساب دیفرانسیل و معادلات دیفرانسیل مورد مطالعه قرار می‌گیرند. استفاده از مدل‌سازی رایانه‌ای به دانش‌آموزان بسیار جوان‌تر امکان دسترسی به ایده‌ها و محاسبات را می‌دهد بدون نیاز به تسلط بر ریاضیات پیشرفته.

در مرکز یادگیری متصل و مدل‌سازی مبتنی بر رایانه (CCL) در دانشگاه نورث‌وسترن، تحقیقات گسترده‌ای با کودکان و بزرگسالان انجام داده‌ایم. در آزمونی برای سنجش توانایی آنها در تحلیل الگوهای پیچیده، از آنها خواسته شد تا ترافیک، تغییرات در جانوران و گیاهان در یک زیستگاه، پرندگان در حال پرواز دسته‌جمعی و الگوهای تفکیک مسکن در شهرها را تفسیر کنند. اکثریت قریب به اتفاق علت این پدیده‌ها را درک نمی‌کردند.

درک الگوهای پیچیده با استفاده از تفکر محاسباتی

بر اساس یافته‌های CCL، دانش‌آموزان دارای سواد علوم رایانه، در برنامه درسی مبتنی بر مدل‌سازی رایانه‌ای، از تفکر محاسباتی خود برای درک الگوهای پیچیده و تصادفی بودن به‌‌عنوان عامل ایجاد پیچیدگی، استفاده می‌کنند.

کاربردهای تصادفی بودن در دنیای واقعی

درک نقش سازنده‌ تصادفی بودن به ما امکان می‌دهد از آن بهره ببریم. برای مثال با استفاده از الگوریتم‌های رایانه‌ای به خودروهای خودران اجازه می‌دهیم تا با تغییر الگوهای ترافیک برای جلوگیری از تراکم واکنش نشان دهند. و ربات‌ها را قادر می‌سازد تا با همکاری یکدیگر، به یک هدف مشترک دست پیدا کنند.

برخی ممکن است استدلال کنند که ما نمی‌توانیم از نظر منابع برای تحول گسترده‌ برنامه درسی در تمام دروس هزینه کنیم. عده‌ای دیگر بر این باورند که مدارس باید پیش از معرفی سوادآموزی جدید، بر ارتقای مهارت‌های مطالعه و ریاضی تمرکز کنند.

آمادگی برای آینده

قطعاً موافقم که همیشه اولویت‌های رقابتی وجود دارد، اما نمی‌توانیم در دنیای به‌طور فزاینده پیچیده‌ خود، علوم رایانه را نادیده بگیریم. اینها مهارت‌هایی هستند که دانش‌آموزان برای موفقیت در بزرگسالی نیاز دارند و علاوه‌برآن، این مهارت‌ها به دانش‌آموزان در سایر دروس کمک می‌کند. با ادغام رایانه در تمام کلاس‌ها، می‌توانیم آن را به یک سوادآموزی واقعی تبدیل کنیم.