Computing education

Computer science education or computing education is the field of teaching and learning the discipline of computer science^{[1][2][3][4][5][6]} and computational thinking.^[7][8][9] The field of computer science education encompasses a wide range of topics, from basic programming skills to advanced algorithm design and data analysis. It is a rapidly growing field that is essential to preparing students for careers in the technology industry as well as other fields that require computational skills.^[10]

Computer science education is essential to preparing students for the 21st century workforce. As technology becomes increasingly integrated into all aspects of society, the demand for skilled computer scientists is growing. According to the Bureau of Labor Statistics, employment of computer and information technology occupations is projected to "grow 21 percent from 2021 to 2031", much faster than the average for all occupations.^[11]

In addition to preparing students for careers in the technology industry, computer science education also promotes computational thinking skills, which are valuable in many fields, including business, healthcare, and education. By learning to think algorithmically and solve problems systematically, students can become more effective problem solvers and critical thinkers.

In the early days of computer programming, there wasn't really a need for setting up any kind of education system, as the only people working with computers at the time were early scientists and mathematicians. Computer programming wasn’t popular enough to be widely taught, nor was it developed enough for non-experts to benefit from it. It was soon realized however, that mathematicians were not a good fit for computer science work and that there would be a need for people fully focused around the subject.^[12] As time went on, there was a greater need for those who were specifically trained in computer programming to match the demands of a world becoming more and more dependent on the use of computers. Initially, only colleges and universities offered computer programming courses, but as time went on, high schools and even middle schools implemented computer science programs.^[12]

بالمقارنة بتعليم العلوم وتعليم الرياضيات ، يُعدّ تعليم علوم الحاسوب مجالًا أحدث بكثير. ^{[ 13 ]} ففي تاريخ الحوسبة ، لم تُبنَ الحواسيب الرقمية إلا في أربعينيات القرن العشرين تقريبًا، على الرغم من أن الحوسبة موجودة منذ قرون منذ اختراع الحواسيب التناظرية . ^{[ 14 ]}

من بين السمات المميزة الأخرى لتعليم علوم الحاسوب أنه كان يُدرّس بشكل أساسي على مستوى الجامعات حتى وقت قريب، مع بعض الاستثناءات البارزة في إسرائيل وبولندا والمملكة المتحدة، حيث تم طرح جهاز BBC Micro في ثمانينيات القرن الماضي كجزء من تعليم علوم الحاسوب في المملكة المتحدة . ^{[ 6 ] [ 15 ]} وقد أصبحت علوم الحاسوب جزءًا من المناهج الدراسية بدءًا من سن 14 أو 16 عامًا في بعض البلدان لعدة عقود، ولكنها كانت تُدرّس عادةً كمادة اختيارية.

يُعدّ تعليم علوم الحاسوب في المرحلتين الابتدائية والثانوية حديثًا نسبيًا في الولايات المتحدة، حيث يواجه العديد من معلمي علوم الحاسوب في هذه المراحل الدراسية عقباتٍ مثل العزلة المهنية، ومحدودية موارد التطوير المهني، وانخفاض الكفاءة الذاتية في التدريس . ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} ووفقًا لتقرير صدر عام 2021، فإن 51% فقط من المدارس الثانوية في الولايات المتحدة تُدرّس علوم الحاسوب. ^{[ 19 ]} ويُعاني معلمو علوم الحاسوب في المرحلة الابتدائية تحديدًا من انخفاض في كفاءة تدريسهم، وقلة في فرص دمج علوم الحاسوب في مناهجهم الدراسية مقارنةً بزملائهم في المرحلتين الإعدادية والثانوية. ^{[ 16 ]} وقد أظهرت الدراسات أن ربط معلمي علوم الحاسوب بالموارد والزملاء باستخدام أساليب مثل مجتمعات الممارسة الافتراضية يُساعد معلمي علوم الحاسوب ومعلمي العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات على تحسين كفاءتهم الذاتية في التدريس، ودمج مواضيع علوم الحاسوب في مناهج الطلاب. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

يزداد استخدام الذكاء الاصطناعي التوليدي شيوعًا وانتشارًا في القطاع العام. ^{[ 20 ]} وقد أفاد كل من المعلمين والطلاب بأنهم يعتقدون أنه أداة تعليمية مفيدة، مع التعبير عن مخاوفهم بشأن الاعتماد المفرط عليه في عملية التعلم. ^{[ 21 ]} ومن المعروف أن الذكاء الاصطناعي التوليدي قد يُشوّه المعلومات، مما يثير تساؤلات حول مصداقية المعلومات التي يقدمها. لذا، ثمة حاجة إلى مزيد من البحث حول كيفية استخدام هذه الأدوات لتحقيق تعليم فعال. ^{[ 22 ]}

كما هو الحال في معظم التخصصات، يستفيد علم الحاسوب من استخدام أدوات واستراتيجيات متنوعة في مراحل مختلفة من تطور الطالب لضمان تحقيق أقصى استفادة من التعليم. تُعد لغات البرمجة المرئية مثل سكراتش و MIT App Inventor فعّالة في المدارس الابتدائية والمتوسطة كمقدمة جيدة لكيفية عمل لغات البرمجة، وذلك من خلال بنية برمجة بسيطة وسهلة الفهم تعتمد على الكتل. ^{[ 23 ]} بمجرد أن يتقن الطلاب أساسيات البرمجة باستخدام هذه اللغات، ينتقل المعلمون عادةً إلى لغة برمجة نصية سهلة الاستخدام، مثل بايثون ، حيث يكون بناء الجملة أبسط بكثير مقارنةً باللغات الأكثر تعقيدًا. بشكل عام، يُدرَّس الطلاب لغات شائعة الاستخدام بين الشركات والمبرمجين المحترفين لكي يتعرفوا على اللغات المستخدمة فعليًا في سوق العمل. لذا، في المدارس الثانوية والجامعات، تميل الدروس إلى التركيز على استخدامات أكثر تعقيدًا لبايثون، بالإضافة إلى لغات أخرى مثل جافا وسي ++ و HTML . ^{[ 24 ]} على الرغم من ذلك، ليس من الضروري تمامًا التركيز على لغات البرمجة الأكثر شيوعًا أو استخدامًا حيث أن جزءًا كبيرًا من علوم الكمبيوتر مبني على تعلم ممارسات البرمجة الجيدة التي يمكن تطبيقها على أي لغة بشكل أو بآخر.

تختلف أساليب التدريس الفعّالة في علوم الحاسوب غالبًا عن تلك المستخدمة في المواد الأخرى، إذ تبيّن أن أسلوب العرض التقديمي التقليدي والكتب المدرسية، الشائع في المدارس، أقل فعالية مقارنةً بالمواد الأكاديمية التقليدية. ^{[ 25 ]} ونظرًا لطبيعة علوم الحاسوب القائمة على حل المشكلات، فقد وُجد أن المنهج الدراسي الذي يركز على حل المشكلات هو الأكثر فعالية، حيث يُقدّم للطلاب ألغازًا وألعابًا وبرامج صغيرة للتفاعل معها وإنشائها. وبدلًا من تطبيق التقنيات أو الاستراتيجيات المُتعلّمة في الاختبارات، يجب على الطلاب استخدام المواد التي تعلّموها في الصف لإكمال البرامج وإثبات استيعابهم للمادة. ^{[ 25 ]} علاوة على ذلك، وُجد أن تطوير أساليب تدريس تسعى إلى تحسين وتوجيه قدرات الطلاب على حل المشكلات والإبداع يُساعدهم على النجاح في علوم الحاسوب وغيرها من المواد الدراسية. ^{[ 23 ]} غالبًا ما يكون جانب حل المشكلات في تعليم علوم الحاسوب هو الأصعب، إذ قد يواجه العديد من الطلاب صعوبة في فهم المفهوم، خاصةً إذا لم يسبق لهم تطبيقه بهذه الطريقة.

من التطورات الحديثة الأخرى ازدياد شعبية دورات البرمجة عبر الإنترنت ومعسكرات تدريب البرمجة المكثفة. ونظرًا لطبيعة علوم الحاسوب كتخصص، يكتشف الكثيرون شغفهم بها في مراحل متأخرة من حياتهم، أو ربما لم تكن متاحة على نطاق واسع خلال دراستهم الثانوية أو الجامعية. غالبًا ما تتضمن هذه الفرص دورات مكثفة تركز على إعداد الأفراد لسوق العمل أكثر من التركيز الأكاديمي. ^{[ 26 ]} وقد أصبحت معسكرات تدريب البرمجة المكثفة وسيلةً مثاليةً لدخول سوق العمل في مجال علوم الحاسوب دون الحاجة إلى إعادة الدراسة من جديد.

تصور الخوارزمية

قد يكون من الصعب تدريس المكونات التفاعلية للحوسبة أو كيفية عمل الخوارزميات بفعالية باستخدام النصوص والصور الثابتة الشائعة في الكتب الدراسية والمحاضرات. غالبًا ما يستخدم المدرسون كاميرات الوثائق أو السبورة الصفية لرسم العمليات وتكملة الشرح اللفظي. ^{[ 27 ]} تخضع الرسومات لتغييرات متكررة خلال شرح العملية، مما يُصعّب على الطلاب استيعاب المفاهيم. ولمعالجة هذه المشكلة، نشأ اهتمام بتصوير الخوارزميات لعرض الأنظمة الديناميكية.

يعود تاريخ تمثيل الخوارزميات بصريًا إلى أوائل ثمانينيات القرن العشرين مع نشر بايكر لكتابه "فرز الخوارزميات ". ^{[ 28 ]} عند استخدامه بفعالية، يُمكنه عرض حالات الخوارزميات المختلفة بيانيًا بطرق جذابة. وهذا يُساعد الطلاب على التركيز على الجوانب المفاهيمية للعملية دون الانشغال بالتنفيذ، مثل عناوين الذاكرة واستدعاءات الدوال المحددة. ^{[ 27 ]} عادةً ما يؤدي ازدياد استخدام الطلاب لتمثيل الخوارزميات بصريًا إلى تحسين تعلمهم. ^{[ 29 ]}

يمكن استخدام تمثيل الخوارزميات بصريًا في العديد من المواضيع المختلفة. تُعد هياكل البيانات، وخوارزميات الرسوم البيانية، وخوارزميات الفرز أمثلة على المفاهيم القائمة على الحوسبة التي يمكن للطلاب الاستفادة من تعلمها بمساعدة تمثيل الخوارزميات بصريًا.

يُعدّ البحث في تعليم علوم الحاسوب (CER) مجالًا متعدد التخصصات يركز على دراسة تدريس وتعلم علوم الحاسوب. ^{[ 5 ] [ 30 ]} وهو فرع من فروع كلٍّ من علوم الحاسوب والبحث التربوي، ويهتم بفهم كيفية تدريس علوم الحاسوب وتعلمها وتقييمها في بيئات متنوعة، مثل المدارس (من الروضة وحتى الصف الثاني عشر)، والكليات والجامعات، وبيئات التعلم الإلكتروني.

تدير جمعية آلات الحوسبة (ACM) مجموعة اهتمام خاصة (SIG) تُعنى بتعليم علوم الحاسوب، تُعرف باسم SIGCSE، والتي احتفلت بمرور 50 عامًا على تأسيسها في عام 2018، مما يجعلها واحدة من أقدم مجموعات الاهتمام الخاصة التابعة لجمعية آلات الحوسبة وأطولها استمرارًا. ^{[ 31 ]} ومن نتائج أبحاث تعليم الحوسبة مسائل بارسونز .

في العديد من البلدان، توجد فجوة كبيرة بين الجنسين في تعليم علوم الحاسوب. ففي عام 2015، بلغت نسبة الطالبات المتخرجات من برامج علوم الحاسوب في الولايات المتحدة من مؤسسات غير مانحة لدرجة الدكتوراه 15.3%، بينما بلغت النسبة 16.6% في المؤسسات المانحة لدرجة الدكتوراه. ^{[ 32 ]} وبلغت نسبة الحاصلات على درجة الدكتوراه من الإناث في الولايات المتحدة 19.3% في عام 2018. ^{[ 33 ]} وفي معظم أنحاء العالم، تكون أعداد النساء الملتحقات ببرامج علوم الحاسوب أعلى. ^{[ 34 ]}

تنشأ هذه المشكلة الأوروبية الأمريكية بشكل رئيسي من قلة اهتمام الإناث بالحوسبة منذ المرحلة الابتدائية. ورغم الجهود الحثيثة التي تبذلها البرامج المصممة خصيصًا لزيادة نسبة النساء في هذا المجال، لم يُلاحظ أي تحسن ملحوظ. علاوة على ذلك، لوحظ تراجع في مشاركة النساء خلال العقود الماضية. ^{[ 35 ]}

السبب الرئيسي لفشل هذه البرامج هو تركيزها في معظمها على الفتيات في المرحلة الثانوية أو ما بعدها. ويرى الباحثون أن النساء في هذه المرحلة يكنّ قد حسمْنَ أمرهنّ، وتبدأ الصور النمطية بالتشكّل حول عالمات الحاسوب. يُنظر إلى علم الحاسوب على أنه مجال يهيمن عليه الرجال، ويسعى إليه أشخاصٌ يميلون إلى الانطواء ويفتقرون إلى المهارات الاجتماعية. ^{[ 35 ]}

من الواضح أن هناك بعض الدول في آسيا وأفريقيا حيث لا وجود لهذه الصور النمطية، ويتم تشجيع النساء على امتهان العلوم منذ المرحلة الابتدائية، مما أدى إلى انعدام الفجوة بين الجنسين تقريبًا. ففي عام 2011، حصلت النساء على نصف شهادات علوم الحاسوب في ماليزيا. ^{[ 36 ]} وفي عام 2001، كانت 55% من خريجي علوم الحاسوب في غيانا من النساء. ^{[ 37 ]} وفي العالم الذي كان خاضعًا للاستعمار سابقًا، لم تنتشر الصورة النمطية القائلة بأن النساء أقل قدرة فكرية من الرجال في الرياضيات أو العلوم، وذلك بسبب الرفض التاريخي للصور النمطية العرقية والتسلسل الهرمي للذكاء. ولذلك، فإن مسألة النوع الاجتماعي في العلوم مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بمسألة العرق في العلوم. ^{[ 34 ]}

يُبدي كلٌّ من القطاعين الحكومي والخاص اهتمامًا متزايدًا بتطوير برمجيات يسهل الوصول إليها للجميع، بمن فيهم ذوو الإعاقة. ^{[ 38 ]} ورغم وجود طلب قوي، فإن 2% فقط من رواد الصناعة يشيرون إلى سهولة أو سهولة بالغة في إيجاد مرشحين يمتلكون مهارات الوصول المطلوبة. ^{[ 39 ]} ونتيجةً لذلك، بات تدريس مهارات الوصول في مناهج علوم الحاسوب أكثر أهمية، وهو ما يتضمن تبادل المعلومات الوصفية المتعلقة بالمعلومات وإمكانية الوصول. وتشمل المناهج الحالية دمج هذه المهارات في المقررات الدراسية وتدريسها. ^{[ 40 ]}

يجمع التكامل الدراسي بين تخصصات متعددة في فصل دراسي أو برنامج واحد. وهناك ثلاثة أنواع رئيسية من التكامل: مقررات المواضيع الخاصة، والمقررات الموضوعية، وتكامل الوحدات. مقررات المواضيع الخاصة هي تلك التي يُمثل فيها تخصص معين موضوع المقرر بأكمله، ^{[ 41 ]} مثل مقرر إمكانية الوصول في كلية المعلومات . أما المقررات الموضوعية، فهي تلك التي لا تتناول موضوعًا محددًا بشكل مباشر، بل تستخدم موضوعًا ما كمنطلق أو منظور لتدريس الموضوع الرئيسي، ^{[ 42 ]} على سبيل المثال، تدريس تصميم تجربة المستخدم من منظور المستخدمين ذوي الإعاقة. أما تكامل الوحدات، فيُدرّس موضوعًا معينًا في وحدة مستقلة، مثل مقرر تصميم المواقع الإلكترونية الذي يتضمن وحدة حول تحسين المواقع الإلكترونية لبرامج قراءة الشاشة.

يُسهم تدريس معارف إمكانية الوصول في تعليم هذه الإمكانية بشكل مباشر في جميع مراحل البرنامج الدراسي، وذلك من خلال شرح كيفية تشجيع الممارسات المُيسّرة في أحد فروعها. ^{[ 43 ]} ويشمل ذلك، على سبيل المثال لا الحصر، برامج قراءة الشاشة، ولوحات المفاتيح التكيفية، ومكبرات الشاشة، وخدمات الترجمة الفورية والترجمة النصية، وبرامج تحليل الصوت. ويمكن تطبيق هذه الأدوات في العديد من فروع الحوسبة، مثل تطوير مواقع الويب، والتفاعل بين الإنسان والحاسوب، وهندسة البرمجيات.

توجد فجوة في الدعم المقدم للمدرسين أثناء تدريسهم لمفاهيم إمكانية الوصول، وتعود هذه الفجوة إلى نقص المعرفة بالأساليب المختلفة لتدريس هذه المفاهيم. ^{[ 40 ]} وقد تعاونت جامعة واشنطن، وجامعة جالوديت، وجامعة تافتس، وجامعة كاليفورنيا في إرفاين مع برنامج AccessComputing، وهو برنامج مصمم لمساعدة المدرسين والطلاب على زيادة تمثيل ذوي الإعاقة في وظائف الحوسبة. ^{[ 44 ]}

في الآونة الأخيرة، ازداد التركيز في مجال التعليم الحاسوبي على دمج المعرفة الحاسوبية في التعليم على جميع المستويات، وذلك نتيجةً لتزايد اعتماد العالم على التكنولوجيا. وقد ساهمت منظمات مثل Code.org ومبادرات مثل ساعة البرمجة في هذا التوجه .وقد لعبت الدورات التدريبية المفتوحة عبر الإنترنت (MOOCs) دورًا هامًا في تعزيز تعليم علوم الحاسوب وجعل البرمجة في متناول الطلاب حول العالم، لا سيما النساء والفئات المهمشة والمستضعفة. كما ساهمت منصات التعلم الإلكتروني هذه في جعل تعليم الحوسبة أكثر سهولة، مما أتاح للأفراد تعلم البرمجة عن بُعد. بالإضافة إلى ذلك، نشهد تزايدًا ملحوظًا في استخدام التكنولوجيا في العديد من المجالات، مثل الصحة والأعمال والتكنولوجيا. ^{[ 45 ] [ 46 ]}

على مر السنين، واجه تعليم علوم الحاسوب العديد من المشكلات التي ساهمت في ضعف شعبيته. ومن أبرز هذه المشكلات تكلفة المعدات اللازمة لتدريس هذا التخصص بفعالية. ^{[ 47 ]} في الماضي، لم تكن هناك خيارات ميسورة التكلفة لتوفير أجهزة الحاسوب لكل طالب يرغب في تعلم هذا التخصص. ونتيجة لذلك، عانى تعليم علوم الحاسوب في العديد من المجالات، حيث لم يتبقَّ سوى القليل من التمويل، إن وُجد، لتدريس هذا الموضوع بشكل كافٍ. ^{[ 48 ]} وهذا هو السبب الرئيسي وراء ضعف تعليم علوم الحاسوب أو انعدامه في العديد من المدارس في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة. ويعود ضعف شعبية هذا التخصص لسنوات عديدة في الغالب إلى اقتصاره على من يستطيعون تحمل تكلفة المعدات والبرامج اللازمة لتدريسه بفعالية. ^{[ 48 ]}

كما واجهت هذه المادة صعوبات في إيجاد وتدريب معلمين أكفاء. ففي الماضي، لم ترَ العديد من المدارس جدوى في تمويل تدريب المعلمين على تدريس علوم الحاسوب أو الحصول على التراخيص اللازمة. وقد أدى ذلك إلى معاناة العديد من المدارس في المناطق المحرومة، أو ببساطة في المناطق ذات الكثافة السكانية المنخفضة، في توظيف المعلمين الضروريين لتقديم منهج جيد في علوم الحاسوب. ^{[ 47 ]} ومن المشكلات الأخرى المتعلقة بالمعلمين في هذا المجال طبيعة علوم الحاسوب نفسها، حيث تبين أن أسلوب التدريس التقليدي القائم على الشرائح والكتب الدراسية غير فعال في كثير من الأحيان. فعلوم الحاسوب مادة تركز بشكل كبير على حل المشكلات، وقد تبين أن التدريس يكون أكثر فعالية عند اتباع هذا المنظور بدلاً من أسلوب المحاضرة التقليدي. ^{[ 25 ]}

يُعرف علم الحاسوب بصعوبته الشديدة في المدارس، حيث ترتفع معدلات الرسوب والتسرب فيه على مر السنين. ^{[ 25 ]} يُعزى ذلك عادةً إلى اعتماده الكبير على حل المشكلات، مما يُصعّب الأمر على العديد من الطلاب. ويتجلى هذا بوضوح في المرحلة الثانوية، حيث قلّما تتطلب مواد أخرى مستوىً عالياً من مهارات حل المشكلات. ويزداد الأمر تعقيداً لكونه تخصصاً مختلفاً تماماً عن معظم المواد الأخرى، مما يجعل الطلاب الذين يدرسونه لأول مرة يواجهون صعوبة كبيرة. ^{[ 25 ]}

على الرغم من التحديات التي تواجه هذا التخصص، إلا أن علوم الحاسوب تستمر في اكتساب شعبية متزايدة كموضوع دراسي مع تطور التكنولوجيا وازدياد أهمية أجهزة الحاسوب في الفصول الدراسية وكذلك في الحياة اليومية.

• التعليم التقني
• التعليم المهني والتقني
• قائمة أدوات تطوير البرمجيات المدعومة بالذكاء الاصطناعي
• قائمة مجلات الحاسوب ، وقائمة كتب الحاسوب ، وقائمة مجلات علوم الحاسوب .
• قائمة البرامج التعليمية وقائمة الموارد التعليمية عبر الإنترنت
• قائمة بحزم البرامج المجانية والمفتوحة المصدر