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

• Компьютерная математика

Рекомендации

1. Крыло, Жаннетт (2014). "Общество на пользу компьютерного мышления". Блог, посвященный 40-летию социальных проблем в вычислительной технике.
2. Деннинг П.Дж., Тедре М. Вычислительное мышление. MIT Press, 2019.
3. Тедре, Матти; Деннинг, Питер (2016). «Долгие поиски вычислительного мышления» (PDF). Труды 16-й Коли созыва конференции по компьютерным исследованиям в образовании.
4. 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:
   • Repenning, A .; Webb, D .; Иоанниду, А. (2010). «Масштабируемый игровой дизайн и разработка контрольного списка для внедрения вычислительного мышления в государственные школы». Материалы 41-го технического симпозиума ACM по образованию в области компьютерных наук - SIGCSE '10. п. 265. Дои:10.1145/1734263.1734357. ISBN  9781450300063.
   • Гуздиал, Марк (2008). «Образование: путь к вычислительному мышлению» (PDF). Коммуникации ACM. 51 (8): 25–27. Дои:10.1145/1378704.1378713. Архивировано из оригинал (PDF) 3 марта 2016 г.. Получено 29 августа 2015.
   • Уинг, Дж. М. (2008). «Вычислительное мышление и мышление о вычислениях». Философские труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки. 366 (1881): 3717–3725. Bibcode:2008RSPTA.366.3717W. Дои:10.1098 / rsta.2008.0118. ЧВК  2696102. PMID  18672462.
   • Центр вычислительного мышления в Карнеги-Меллон cmu.edu8
   • Изучение вычислительного мышления, Google.com
   • Как научить вычислительному мышлению к Стивен Вольфрам, Блог Стивена Вольфрама, 7 сентября 2016 г.
   • Конрад Вольфрам: Обучение детей настоящей математике с помощью компьютеров на YouTube, TED talk 15 ноября 2010 г.
   • Что такое вычислительное мышление? CS4FN в CS4FN
   • Региональная группа CPATH в Сакраменто создала веб-сайт Think CT с информацией о CT, разработанной в рамках этого проекта, финансируемого NSF. В архиве 31 августа 2011 г. Wayback Machine
   • Краткое введение в вычислительное мышление от Открытого университета В архиве 25 февраля 2016 г. Wayback Machine
8. 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. 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. 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. 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

• Деннинг, Питер Дж .; Тедре, Матти (2019). Вычислительное мышление. Серия основных знаний MIT Press. Кембридж, Массачусетс: MIT Press. Дои:10.7551 / mitpress / 11740.001.0001. ISBN  9780262536561. OCLC  1052902737.
• Национальный исследовательский совет (2010). Отчет семинара по масштабам и природе вычислительного мышления. Комитет семинаров по вычислительному мышлению. Вашингтон: Национальная академия прессы. Дои:10.17226/12840. ISBN  9780309149570. OCLC  520515477.
• Национальный исследовательский совет (2011). Отчет семинара по педагогическим аспектам компьютерного мышления. Комитет семинаров по вычислительному мышлению. Вашингтон: Национальная академия прессы. Дои:10.17226/13170. ISBN  9780309214742. OCLC  747314143.
• Райли, Дэвид Д.; Хант, Кенни А. (2014). Вычислительное мышление для современного решателя проблем. Chapman & Hall / CRC Учебники по вычислительной технике. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN  9781466587779. OCLC  879630598.
• Ван, Пол С. (2016). От вычислений к вычислительному мышлению. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. Дои:10.1201/9781315115320. ISBN  1482217651. OCLC  944534803.