计算思维技能的培养.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,计 算 思 维 技 能 的 培 养,1,汇报框架,一、为什么培养计算思维,二、计算思维是什么,三、计算思维技能的培养,四、计算思维技能的培养建议,五、小结,2,一、为什么要培养计算思维,计算机技术的迅速发展，不仅影响着我们的生活、思维方式和思维习惯,而且也将深刻地影响着我们的思维能力。,鉴于此，,2006,年,3,月，曾任美国卡内基,梅隆大学,(CMU),计算机科学系主任，现任美国基金会,(MSP),计算机和信息科学与工程部,(CISE),主任的,周以真（,Jearmette M.Wing,）教授,，在美国计算机权威刊物,Communicatons of the ACM,上，首次提出了计算思维的观念。她指出,计算思维是每个人的基本技能，不仅仅属于计算机科学家。我们应当使每个孩子在培养解析能力时不仅掌握阅读、写作和算术（,Reading,wRiting,and aRithmetic3R,），还要学会计算思维。,正如印刷出版促进了,3R,的普及，计算和计算机也以类似的正反馈促进了计算思维的传播。,1,3,二、计算思维是什么？,周以真教授认为：计算思维就是运用计算机科学的基本概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为，它包括了涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动,1,。但是，她给出的“计算思维”是一个比较宽泛、抽象的概念。为了容易理解，周教授给出了一个详细的描述，见,表,141,：,从表中对计算思维的详细描述中，我们可以将计算思维的方法提取出来，即递归、关注点分离、抽象和分解，保护、冗余、纠错和恢复、利用启发式推理寻求解答，在不确定情况下的规划、学习和调度等。,4,5,三、计算思维的培养,1,、学生的计算思维,学会计算思维，是信息社会中创新的需要，,计算思维对于学生有很大的价值。为了更高效、快速地培养学生的计算思维技能，我们应该在对当前计算思维的抽象概念的理解的基础上，对其有个更直观、更务实的认识和理解，并且还需要归纳、提炼出信息时代学生所应具备的,计算思维技能在他们的学习和实践中具体表现。,参与可扩展的游戏设计项目,（,Scalable Game Design project,）,的许多学校中一位老师，看过对计算思维的一些目前的定义,他表示他仍然不相当了解计算思维是什么,但是,他有自己的一些想法：学生能够使用他们的编程知识来解决真实世界问题；创造性科学模拟的能力应该是计算思维的核心。,5,6,Walt Allan2,等人,根据以往的研究,基于学生把计算思维作为一种构造问题解决方法的理解,认为计算思维的培养依赖于两个主要概念：抽象和自动化。正如周以真教授所说：抽象是一种关注点分离。它是选择合适的方式去陈述一个问题，或者是选择合适的方式对一个问题的相关方面建模使其易于处理。自动化可以使人们能够大规模的解决问题。,基于,Dave Moursund,的观点：计算思维的根本的意思是开发一些人们试图研究和解决的问题的模型和模拟仿真，,Walt Allan,等人将计算思维的培养分了三个领域,:,模拟仿真或模型，使用机器人系统和游戏设计和开发。,他们提到这三个领域的关系错综复杂，认为这些领域将会彼此协作，发挥协同作用，为学生建立一个对计算思维更加普遍的理解。,7,Irene Lee,Santa Fe Institute,在模型和模拟仿真领域，,Walt Allan,等人列举了,GUTS,（,growing up thinking scientifically,）中学项目，在这个项目中学生们和社区成员协作，积极参与模型化和模拟仿真现实问题来培养计算思维。在该项目中，他们探究社区中存在的问题，发明了基于代理的模型去探究问题的根本推动力，并检测潜在的缓和策略。,8,GUTS,项目框架：,实体教育（地方本位教育）将学生的社区和学校作为调查背景。,研究当地的现象，不管在现实生活中还是使用基于主体模型在,StarLogo TNG,中创建，该现象都是作为复杂的系统。,9,基于代理的复杂适应系统的建模,使用基于代理的建模（,ABM,）的工具，我们能够模拟复杂的自适应系统。,范式,:,它是由代理，环境，代理之间或代理与环境之间的相互作用构成。,它是自适应的和随时间变化的。,它生成“紧急”的模式。,10,StarLogo TNG,（一个模拟软件）,我们用,StarLogo TNG,探索复杂系统的应急行为,用户可以通过编写简单的规则为个人“主体”创建模拟,不要求有复杂的数学或编程经验,免费下载网站：,education.mit.edu/,11,项目,GUTS,的单元结构（每学期）：,用,4,周时间介绍,SLTNG,（,StarLogo TNG,）和复杂的系统,用,6,周时间来调查研究当地的一个现象，不管是在生活中还是使用基于主体模型在,StarLogo TNG,中创建，它都是复杂系统。,12,一个为期,6,周的调查示例,:,疾病的传播,第,1,周和第,2,周,:,了解流行病,通过实践活动历史记录,),采访朋友、家人、社区成员,13,第,3,周：蔓延的基本模型,14,第,4,周和第,5,周：学生生成蔓延的模型,15,科学计算周期,16,超级计算挑战团队项目：梅尔罗斯,Melrose H.S.,团队研究野火并采访当地消防队员,团队通过当地的草原火灾蔓延创建了一个计算模型,团队提出和模拟不同的缓解策略,收集数据并得出结论,团队与当地消防部门分享他们的研究结果和结论,17,初级,学习语言结构通过搭建的练习,学习模型和建模,通过改变变量进行实验,中级,解构模型,获得编码,/,解码能力和持续的推理,高级,将一个真实问题抽象成一个适合假设检验的电脑模型,评价模型,选择假设和结果,18,CT,（计算思维）迭代模型,19,在游戏设计和开发领域，,Salen,（,2007,）说：,组合一个成功的游戏需要基于系统的思考，关键问题解决的迭代，艺术和审美，协作和故事讲述，交互设计，游戏逻辑和规则，以及程序编程。,Walt Allan,等人列举了校外,iGame,项目，中学生可以参与使用,Storytelling Alice,软件对计算机原作游戏进行编程来培养计算思维。在这个项目中涉及到得计算思维的概念有：算法思维（当学生们去解决一些和编程游戏相关的问题时会使用条件语句）、迭代和顺序执行。学生们也必须思考创造他们自己的世界模型，并为这个世界界定变量。,20,CT,测量,编码游戏,建模,/,抽象,在他们虚构的世界里编写一个模型,创建变量,创建新的方法,在不同抽象水平上思考,算法思维,顺序执行,条件（,if/then/else,）,迭代（循环）,事件处理,并行,21,在机器人和机器人系统领域，,Walt Allan,等人列举了中学,iCODE(Internate community of design engineers),项目，学生需要完成大量的微型控制项目。他们根据在线项目指导提供的设计思想和项目计划，开始制作一个简单的含有可编程的闪光器，以后改进为一个音乐记忆游戏，最后改进为一个完全的自我控制的机器人。,22,2,、学生计算思维培养框架,Walt Allan,等人,2,不仅给我们提供了计算思维培养的具体实施领域，同时他们基于对美国几个学生项目的研究，提出了学生如何发展计算思维技能的“三部分”框架。,23,在应用阶段：学生们要了解如何使用技术,，包括界面和工具，还有其他人制造的各种产品。该阶段涉及到执行脚本操作流程和软件探究。该阶段为高度参与计算思维培养建立基础。,在修改阶段：使用工具越来越熟练时，学生们开始尝试修改当前的程序或项目，改善原创作。,在该阶段，学生开始理解他们如何控制潜在的机制（,underlying mechanisms,）来产生不同的结果，这就是他们将在不久之后自己制造原创时使用的技能。,创作阶段：在该阶段，学生运用自己不断获得的计算思维技能去创作一个大型的原创。,该工作将展示学生们不断增加的抽象和自动化的水平。同时这三个阶段紧密连接，当学生处于其中一个阶段时，有可能还需要涉及到其他两方面。渐渐的，学生将会在这三个方面自由过渡，使得这三个方面形成一个循环。,24,3,、计算思维培养的软件与案例,(1)scratch,软件“音乐编辑”,Alex Ruthmann,等人,6,介绍了通过,scratch,软件进行音乐现场编码来教授计算思维，他们认为在通过音乐教授计算思维中，,scratch,软件具有以下优点：在该软件的声音模块中通过使用不同的命令可以实现声音的生成和播放。并且在播放不同的声音时，该软件还可以实现这些声音的同步（如图,1,），同时还可以通过该软件教授学生其他的计算思维概念，如回路（递归）（如图,2,）、初始化、变量使用、改变变量算法（,changing variable algorithmically,）、模块化、时间处理。,25,Scratch,另外一个功能是可以作为现场的编译器（,a live interpreter/compiler,），使创作更加有意思。该功能可以实现通过音乐现场编辑代码实时控制随机音符或者连续音符的播放,如图,3,26,Scartch,软件是由,MIT Media Lab,开发的一种适于,8,岁以上孩子的跨平台图形化编程语言（,graphical programming language,）。该工具利用图形化界面，把编程需要的基本技巧囊括其中，包括建模，控制，动画，事件，逻辑，运算，等等。孩子非常容易掌握，,Scratch,让编程变得像搭积木一样简单！在信息技术课程中我们可以通过这个工具平台，教授孩子编程技巧，逐渐培养学生递归、嵌入、抽象分离等计算思维，充分发挥自己的想象力。,27,创建数字文化课程,儿童数字文化创作课程的目标体系、内容结构、教学方法,儿童数字文化创作课程学生作品,利用各种计算机应用软件开展儿童数字文化创作的教学活动：,28,另一位老师：轻松让孩子成为编程高手,目前国内的儿童和青少年编程教育匮乏，小学和中学基本上变成了,Office,入门培训。这不仅妨碍孩子对计算机的了解，也促成孩子对计算机没有兴趣。从去年我和儿子尝试用美国麻省理工学院提供的,Scratch,编程平台学习计算机编程。,这是面向全球的计算机科学普及项目。社区和软件都是免费的，提供了多种语言版本。孩子很容易入门。鉴于国内很多家长也没有编程知识，学校不提供编程教育。于是只好自己把这些内容整理成教程，奉献给国内的用户。适合家长和孩子一起学习。,引自：,Allan,等人,2,提出要通过正式和非正式的学习机会来培养计算思维，他们提出了一些建议：,1,、环境创建。培养计算思维的关键是使得学生们沉浸在一个丰富的学习环境中，该环境需要有适当的技术工具和协作文化来支撑。该环境的创建取决于以下三因素：,（,1,）平衡课程的各种需要，提高课程的灵活性，能够需要学生的深入探究，逐渐将计算思维扎根与学校教学中；（,2,）加强教师能力建设，教师培养学生的计算思维，其自身也应具备该技能，需要为教师提供一些服务培训，改变教法，加强概念知识和技术，以及一些特殊技能，如引导学生的能力；创建一个丰富、优越的计算思维培养环境；学习好奇心等（,3,）确保基础设施的可用性。,34,2,、建设性的参与及创造性的使用工具。计算思维不仅仅是将计算机应用到现实问题中，它的一个核心操作原则是，学习者需要一些机会去深度参与到再现现象中。,3,、更好的理解学生要学什么以及如何学，应根据学生的年龄和前经验制定计算思维培养方法和框架。,4,、将计算思维融入到课程教学中，选定的例子需符合课程标准。,35,总结,培养数字时代新的思考方式,计算思维，已成为各国教育界关注的热点问题。计算思维的培养是为了满足学生的创造需要。教师应注重对学生计算思维能力的培养，根据学生个体的差异，促进学生计算思维能力的提高，让学生在思考中创造新事物。,来源于计算科学的计算思维能力，不再只局限于计算机专业领域，而是与“,3R”,一起成为信息时代人们的基本技能。它强调让学生成为问题的解决者而不仅是软件技术员；要创造知识,而不是使用信息；提供了问题解决新方法，培养学生运用递归、抽象、自动化、分解等计算方法处理实际问题；提供了看物理的、社会的、或其他现象的新方法；强调增强创造力和创新思维。,9,36,参考文献：,1,周以珍,王飞跃翻译,.,计算思维,.,原文,Communications of ACM,Vol.49,No.3,March 2006,Pages 33-35,2 Walt Allan,Bob Coulter,Jill Denner,Jeri Erickson,Irene Lee,Joyce Malyn-Smith,Fred Martin.Computational Thinking for Youth.The ITEST Small Group on Computational Thinking White Paper Working Group,3,廖伟志，李文敬，王汝凉,.,基于培养学生计算思维的任务驱动式“离散数学”教学模式研究,J.Computer Education.,4 DENG Zhenrong.Discussion of ability cultivation of computational thinking in course teaching.2009 International Conference on Education Technology and Computer.2009:197-200,5 Ashok Basawapatna,Kyu Han Koh,Alexander Repenning,David C.Webb,Krista Sekeres Marshall.Recognizing Computational Thinking Patterns.Conference10,Month 12,2010,City,State,Country.,6 Alex Ruthmann,Jesse M.Heines,Gena R.Greher,Paul Laidler,Charles Saulters II.Teaching Computational Thinking through Musical Live Coding in Scratch.SIGCSE10,March 10-3,2010,Milwaukee,Wisconsin,USA.,7 Scott Roberts.Teaching the Value of Computational Thinking to Time-Based Digital Media Students.Using ANI 201 Animation I.January 4,2009,8 Judith Good,Pablo Romero,Benedict du Boulay,Henry Reid,Katherine Howland,Judy Robertson.An Embodied Interface for Teaching Computational Thinking.January 13-16,2008,9 Ljubomir Perkovic,Amber Settle.Computational Thinking Across the Curriculum:A Conceptual Framework.December 18,2009,37,Kids movies,38,Thank you!,39,