Вычислительное мышление - Computational thinking

В образовании, вычислительное мышление (CT) - это набор решение проблем методы, которые включают в себя выражение проблем и их решений способами, которые может выполнять компьютер.[1] Он включает в себя умственные навыки и практики для проектирования вычислений, которые заставляют компьютеры выполнять работу за людей, а также объяснения и интерпретации мира как комплекса информационных процессов.[2] Эти идеи варьируются от базовая компьютерная томография для начинающих к расширенная компьютерная томография для экспертов, а CT включает оба CT-в-маленьком (связанных с тем, как создавать небольшие программы и алгоритмы отдельными людьми) и CT-в-большом (относится к тому, как разрабатывать многоверсионные программы, состоящие из миллионов строк кода, написанных коллективными усилиями, перенесенных на множество платформ и совместимых с рядом различных настроек системы).[2]

История

История вычислительного мышления восходит к 1950-м годам, но большинство идей намного старше.[3][2] Вычислительное мышление включает в себя такие идеи, как абстракция, представление данных и логическая организация данных, которые также распространены в других видах мышления, таких как научное мышление, инженерное мышление, системное мышление, дизайн-мышление, мышление, основанное на моделях, и тому подобное.[4] Ни идея, ни термин не являются недавними: им предшествовали такие термины, как алгоритмизация, процедурное мышление, алгоритмическое мышление и вычислительная грамотность.[2] пионеров вычислений, таких как Алан Перлис и Дональд Кнут, период, термин вычислительное мышление впервые был использован Сеймур Паперт в 1980 г.[5] и снова в 1996 году.[6] Вычислительное мышление можно использовать для алгоритмически решает сложные проблемы масштабирования и часто используется для значительного повышения эффективности.[7]

Фраза вычислительное мышление была выдвинута на передний план сообщества образования в области информатики в 2006 году в результате Коммуникации ACM эссе по теме Жаннетт Винг. В эссе предполагалось, что вычислительное мышление является фундаментальным навыком для всех, а не только для компьютерных ученых, и приводился довод в пользу важности интеграции вычислительных идей в другие школьные предметы.[8] В эссе также говорилось, что, обучаясь вычислительному мышлению, дети будут лучше справляться со многими повседневными задачами - например, в сочинении говорилось об упаковке рюкзака, поиске потерянных варежек и знании того, когда вместо этого лучше брать напрокат и покупать. Континуум вопросов вычислительного мышления в образовании варьируется от компьютерных вычислений для детей в K – 9 до профессионального и непрерывного образования, где проблема заключается в том, как передать глубокие принципы, максимы и способы мышления между экспертами.[2]

Характеристики

Вычислительное мышление определяется следующими характеристиками: разложение, распознавание образов / представление данных, обобщение /абстракция, и алгоритмы.[9][10] Путем декомпозиции проблемы, определения задействованных переменных с использованием представления данных и создания алгоритмов получается универсальное решение. Общее решение - это обобщение или абстракция, которые можно использовать для решения множества вариантов исходной проблемы.

Процесс вычислительного мышления «три как» описывает вычислительное мышление как набор из трех шагов: абстракция, автоматизация и анализ.

Другой характеристикой вычислительного мышления является итерационный процесс «три как», основанный на трех этапах:

  1. Абстракция: Постановка проблемы;
  2. Автоматизация: Выражение решения;
  3. Анализирует: Выполнение решения и оценка.[нужна цитата ]

Подключение к «четырем C»

Четыре «К» обучения 21 века - это общение, критическое мышление, сотрудничество и творчество. Пятым C может быть вычислительное мышление, которое предполагает способность решать проблемы алгоритмически и логически. Он включает инструменты, которые создают модели и визуализируют данные.[11] Гровер описывает, как вычислительное мышление применимо к предметам, выходящим за рамки науки, технологий, инженерии и математики (STEM), включая социальные науки и языковые искусства. Учащиеся могут участвовать в мероприятиях, в которых они выявляют закономерности в грамматике, а также структуру предложения и используют модели для изучения отношений.[11]

С момента своего создания, 4 С постепенно получили признание в качестве жизненно важных элементов многих школьных программ. Это развитие вызвало изменения в платформах и направлениях, таких как исследование, проектное обучение и более глубокое обучение на всех уровнях K – 12. Во многих странах компьютерное мышление получили все студенты. В Соединенном Королевстве компьютерная грамотность включена в национальную учебную программу с 2012 года. Сингапур называет ее «национальным потенциалом». Другие страны, такие как Австралия, Китай, Корея и Новая Зеландия, предприняли масштабные усилия по внедрению вычислительного мышления в школах.[12] В Соединенных Штатах президент Барак Обама создал программу «Компьютерные науки для всех», чтобы дать этому поколению американских студентов надлежащие знания в области компьютерных наук, необходимые для процветания в цифровой экономике.[13] Вычислительное мышление означает мышление или решение проблем, как у компьютерных ученых. CT относится к мыслительным процессам, необходимым для понимания проблем и формулирования решений. КТ включает в себя логику, оценку, шаблоны, автоматизацию и обобщение. Готовность к карьере может быть интегрирована в среду обучения и преподавания разными способами.[14]

В K – 12 образовании

Похожий на Сеймур Паперт, Алан Перлис, и Марвин Мински перед, Жаннетт Винг предполагал, что вычислительное мышление станет неотъемлемой частью образования каждого ребенка.[8] Однако интеграция вычислительного мышления в учебную программу K – 12 и образование в области информатики столкнулся с несколькими проблемами, включая соглашение об определении вычислительного мышления,[15][16] как оценить в нем развитие детей,[4] и как отличить его от других подобных "мышлений", таких как системное мышление, дизайн-мышление и инженерное мышление.[4] В настоящее время вычислительное мышление в широком смысле определяется как набор когнитивных навыков и процессов решения проблем, которые включают (но не ограничиваются ими) следующие характеристики:[16][17] (но есть аргументы в пользу того, что немногие из них, если таковые вообще имеются, относятся именно к вычислениям, а не являются принципами во многих областях науки и техники.[2])

  • Использование абстракций и распознавания образов для представления проблемы новыми и разными способами
  • Логическая организация и анализ данных
  • Разбиваем проблему на более мелкие части
  • Подход к проблеме с использованием техник программного мышления, таких как итерация, символическое представление и логические операции
  • Преобразование проблемы в серию упорядоченных шагов (алгоритмическое мышление)
  • Выявление, анализ и реализация возможных решений с целью достижения наиболее эффективного и результативного сочетания шагов и ресурсов.
  • Обобщение этого процесса решения проблем на широкий круг проблем

Современная интеграция вычислительного мышления в учебную программу K – 12 осуществляется в двух формах: непосредственно на уроках информатики или посредством использования и измерения методов вычислительного мышления в других предметах. Учителя естествознания, технологий, инженерии и математики (КОРЕНЬ ) специализированные классы, которые включают вычислительное мышление, позволяют студентам практиковаться решение проблем такие навыки, как методом проб и ошибок.[18] Валери Барр и Крис Стивенсон описывают модели вычислительного мышления в разных дисциплинах в статье ACM Inroads 2011 года.[15] Однако Конрад Вольфрам утверждал, что вычислительное мышление следует преподавать как отдельный предмет.[19]

Существуют онлайн-институты, которые предоставляют учебные программы и другие соответствующие ресурсы, чтобы развивать и укреплять дошкольников с помощью вычислительного мышления, анализа и решения проблем.

Центр вычислительного мышления

Университет Карнеги Меллон в Питтсбург имеет Центр вычислительного мышления. Основным направлением деятельности Центра является проведение ЗОНДОВ или ПРОБЛЕМНО-ориентированных исследований. Эти ЗОНДЫ представляют собой эксперименты, в которых к задачам применяются новые концепции вычислений, чтобы показать ценность вычислительного мышления. Эксперимент PROBE - это, как правило, сотрудничество между ученым-компьютерщиком и экспертом в исследуемой области. Обычно эксперимент длится год. В общем, ЗОНД будет стремиться найти решение широко применимой проблемы и избегать узконаправленных проблем. Некоторыми примерами экспериментов PROBE являются оптимальная логистика трансплантации почки и способы создания лекарств, которые не разводят устойчивые к лекарствам вирусы.[20]

Критика

Концепция вычислительного мышления подвергалась критике как слишком расплывчатая, поскольку редко разъясняется, чем она отличается от других форм мышления.[3][21] Склонность компьютерных ученых к тому, чтобы навязать вычислительные решения другим областям, получила название «вычислительный шовинизм».[22] Некоторые компьютерные ученые беспокоятся о продвижении вычислительного мышления как замены более широкого образования в области информатики, поскольку вычислительное мышление представляет собой лишь небольшую часть этой области.[23][4] Другие обеспокоены тем, что упор на вычислительное мышление побуждает компьютерных ученых слишком узко думать о проблемах, которые они могут решить, тем самым избегая социальных, этических и экологических последствий создаваемой ими технологии.[24][3]

В статье 2019 года утверждается, что термин «вычислительное мышление» (КМ) следует использовать в основном как сокращение для обозначения образовательной ценности информатики, отсюда и необходимость преподавания ее в школе.[25] Стратегическая цель состоит в том, чтобы информатика признавалась в школе как самостоятельный научный предмет, а не пыталась определить «совокупность знаний» или «методы оценки» для компьютерной томографии. Особенно важно подчеркнуть тот факт, что научная новизна, связанная с компьютерной техникой, заключается в переходе от «решения проблем» математики к «решению проблемы» информатики. Без «эффективного агента», который автоматически выполняет полученные инструкции для решения проблемы, не было бы компьютерных наук, а была бы только математика. Другая критика в той же статье заключается в том, что фокусировка на «решении проблемы» слишком узка, поскольку «решение проблемы - это всего лишь случай ситуации, когда человек хочет достичь определенной цели». Таким образом, статья обобщает исходные определения Куни, Снайдера и Винга.[26] и ахо[27] следующим образом: «Вычислительное мышление - это мыслительные процессы, задействованные в моделировании ситуации и определении способов, которыми агент обработки информации может эффективно действовать в ней для достижения заданной (набора) целей (целей)».

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Крыло, Жаннетт (2014). "Общество на пользу компьютерного мышления". Блог, посвященный 40-летию социальных проблем в вычислительной технике.
  2. ^ а б c d е ж Деннинг П.Дж., Тедре М. Вычислительное мышление. MIT Press, 2019.
  3. ^ а б c Тедре, Матти; Деннинг, Питер (2016). «Долгие поиски вычислительного мышления» (PDF). Труды 16-й Коли созыва конференции по компьютерным исследованиям в образовании.
  4. ^ а б c d Деннинг, Питер Дж .; Тедре, Матти (2019). Вычислительное мышление. Кембридж. ISBN  9780262353410. OCLC  1082364202.
  5. ^ Паперт, Сеймур. Mindstorms: дети, компьютеры и мощные идеи. Основные книги, Inc., 1980.
  6. ^ Паперт, Сеймур (1996). «Исследование в области математического образования». Международный журнал компьютеров для математического обучения. 1. Дои:10.1007 / BF00191473.
  7. ^ Вычислительное мышление:
  8. ^ а б Крыло, Жанетт М. (2006). «Вычислительное мышление» (PDF). Коммуникации ACM. 49 (3): 33. Дои:10.1145/1118178.1118215.
  9. ^ «Введение в вычислительное мышление». BBC Bitesize. Получено 25 ноября 2015.
  10. ^ «Изучение компьютерного мышления». Google для образования. Получено 25 ноября 2015.
  11. ^ а б Гровер, Шучи (25 февраля 2018 г.). «5-я буква« C »навыков 21-го века? Попробуйте вычислительное мышление (не кодирование)». EdSurge. Получено 25 февраля 2018.
  12. ^ «5-я буква« C »навыков 21-го века? Попробуйте вычислительное мышление (не кодирование) - новости EdSurge». EdSurge. 2 февраля 2018 г.. Получено 11 июн 2018.
  13. ^ «CSforALL». csforall.org. Получено 11 июн 2018.
  14. ^ «Взгляд в будущее: как учесть пятую букву« С »обучения 21 века». Новости электронной школы. 2 октября 2017 г.. Получено 11 июн 2018.
  15. ^ а б Барр, Валери; Стивенсон, Крис (2011). «Привлечение вычислительного мышления к K – 12: что задействовано и какова роль сообщества образования в области информатики?». ACM Inroads. 2. Дои:10.1145/1929887.1929905.
  16. ^ а б Гровер, Шучи; Горох, Рой (2013). "Вычислительное мышление в K – 12 Обзор состояния области". Исследователь в области образования. 42. Дои:10.3102 / 0013189x12463051.
  17. ^ Стивенсон, Крис; Валери Барр (май 2011 г.). «Определение вычислительного мышления для K – 12». CSTA Voice. 7 (2): 3–4. ISSN  1555-2128. КТ - это процесс решения проблем ...
  18. ^ Барр, Дэвид; Харрисон, Джон; Лесли, Конери (1 марта 2011 г.). «Вычислительное мышление: навык цифровой эпохи для всех». Обучение и лидерство с помощью технологий. 38 (6): 20–23. ISSN  0278-9175.
  19. ^ Вольфрам, Конрад. «Вычислительное мышление - залог успеха». Образовательное приложение The Times.
  20. ^ «ЗОНДОВЫЕ эксперименты». www.cs.cmu.edu.
  21. ^ Джонс, Элизабет. «Проблема с вычислительным мышлением» (PDF). ACM. Получено 30 ноября 2016.
  22. ^ Деннинг, Питер Дж .; Тедре, Матти; Йонгпрадит, Пат (2 февраля 2017 г.). «Заблуждения об информатике». Коммуникации ACM. 60 (3): 31–33. Дои:10.1145/3041047.
  23. ^ Деннинг, Питер Дж. (1 июня 2009 г.). «За пределами вычислительного мышления». Коммуникации ACM. 52 (6): 28. Дои:10.1145/1516046.1516054. HDL:10945/35494.
  24. ^ Истербрук, Стив (2014). «От вычислительного мышления к системному мышлению: концептуальный инструментарий для устойчивых вычислений». Материалы 2-й Международной конференции «ИКТ для устойчивого развития». Дои:10.2991 / ict4s-14.2014.28. ISBN  978-94-62520-22-6.
  25. ^ Нарделли, Энрико (февраль 2019 г.). «Нам действительно нужно вычислительное мышление?». Коммуникации ACM. 62 (2): 32–35. Дои:10.1145/3231587.
  26. ^ Крыло, Жаннетт М. (март 2011 г.). «Записная книжка для исследований: вычислительное мышление - что и почему?». Связь. Журнал факультета компьютерных наук Университета Карнеги-Меллона. Университет Карнеги-Меллона, Школа компьютерных наук. Получено 1 марта 2019.
  27. ^ Ахо, Альфред В. (январь 2011 г.). «Вычислительное и вычислительное мышление». Повсеместность. 2011 (Январь). Дои:10.1145/1922681.1922682.

дальнейшее чтение