《计算思维技能的培养.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算思维技能的培养.ppt（39页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、计计 算算 思思 维维 技技 能能 的的 培培 养养 1汇报框架汇报框架一、为什么培养计算思维一、为什么培养计算思维二、计算思维是什么二、计算思维是什么三、计算思维技能的培养三、计算思维技能的培养四、计算思维技能的培养建议四、计算思维技能的培养建议五、小结五、小结2一、为什么要培养计算思维一、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式和思维习惯,而且也将深刻地影响着我们的思维能力。而且也将深刻地影响着我们的思维能力。鉴鉴于此，于此，2006年年3月，曾任美国卡内基月，曾任美国卡内基梅隆大学梅隆大学(CM
2、U)计算计算机科学系主任，现任美国基金会机科学系主任，现任美国基金会(MSP)计算机和信息科学计算机和信息科学与工程部与工程部(CISE)主任的主任的周以真（周以真（Jearmette M.Wing）教）教授授，在美国计算机权威刊物，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。她指出上，首次提出了计算思维的观念。她指出计算思维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（术（R
3、eading,wRiting,and aRithmetic3R），还要），还要学会计算思维。学会计算思维。正如印刷出版促进了正如印刷出版促进了3R的普及，计算和计的普及，计算和计算机也以类似的正反馈促进了计算思维的传播。算机也以类似的正反馈促进了计算思维的传播。13二、计算思维是什么？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盖计算机科学之广度的一系列思维活动1。但是，她给出。但是，她
4、给出的的“计算思维计算思维”是一个比较宽泛、抽象的概念。为了容易是一个比较宽泛、抽象的概念。为了容易理解，周教授给出了一个详细的描述，见理解，周教授给出了一个详细的描述，见表表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、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。情况下的规划、学习和调度等。45三、计算思维的培养三、计算思维的培养1、学生的计算思
5、维、学生的计算思维学会计算思维，是信息社会中创新的需要，学会计算思维，是信息社会中创新的需要，计算思维对于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还需要归纳、提炼出信息时代学生所应具备的计算思维技计算思维技能在他们的学习和实践中具体表现。能在他们的学习和实践中具体表现。参与可扩展的游戏设
6、计项目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些目前的定义,他表示他仍然不相当了解计算思维是什么他表示他仍然不相当了解计算思维是什么,但是但是他有自己的一些想法：学生能够使用他们的编程知识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。思维的核心。56Walt Allan2等人等人根据以往的研究根据以往的研究,基于学生把计算思维作基于学生把计算思维作为
7、一种构造问题解决方法的理解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：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。使其易于处理。自动化可以使人们能够大规模的解决问题。基于基于Dave Moursund的观点：计算思维的根本的意思是的观点：计算思维的根本的意思是开
8、发一些人们试图研究和解决的问题的模型和模拟仿真，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等人将计算思维的培养分了三个领域:模拟仿真模拟仿真或模型，使用机器人系统和游戏设计和开发。或模型，使用机器人系统和游戏设计和开发。他们提到这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，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。解。7Irene Lee,Santa Fe Institute在模型和模拟仿真领域，在模型和模拟
9、仿真领域，Walt Allan等人列举了等人列举了GUTS（growing up thinking scientifically）中学项目，）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。的根本推动力，并检测潜在的缓和策略。8GUTS项目框架项目框架：实体教育（地方本位教育）将学生的社区和学校作为调
10、查实体教育（地方本位教育）将学生的社区和学校作为调查背景。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型在StarLogo TNG中创建，该现象都是作为复杂的系统中创建，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基于代理的复杂适应系统的建模使用基于代理的建模（使用基于代理的建模（ABM）的工具，我们能够模拟复杂）的工具，我们能够模拟复杂的自适应系统。的自适应系统。范式范式: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。用构成。它是自适应的和随时间变化的。
11、它是自适应的和随时间变化的。它生成它生成“紧急紧急”的模式。的模式。10StarLogo TNG（一个模拟软件）（一个模拟软件）我们用我们用StarLogo TNG探索复探索复杂系统的应急行为杂系统的应急行为用户可以通过编写简单的规则用户可以通过编写简单的规则为个人为个人“主体主体”创建模拟创建模拟不要求有复杂的数学或编程经不要求有复杂的数学或编程经验验免费下载网站：免费下载网站：http:/education.mit.edu/11项目项目GUTS的单元结构（每学期）：的单元结构（每学期）：用用4周时间介绍周时间介绍SLTNG（StarLogo TNG）和复杂的系统）和复杂的系统 用用6周时间
12、来调查研究当地的一个现象，不管是在生活中还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是使用基于主体模型在StarLogo TNG中创建，它都是复中创建，它都是复杂系统。杂系统。12一个为期一个为期6周的调查示例周的调查示例:疾病的传播疾病的传播第第1周和第周和第2周周:了解流行病了解流行病(通过实践活动历史记录通过实践活动历史记录)采访朋友、家人、社区成员采访朋友、家人、社区成员13v第第3周：蔓延的基本模型周：蔓延的基本模型14第第4周和第周和第5周：学生生成蔓延的模型周：学生生成蔓延的模型15v科学计算周期科学计算周期16超级计算挑战团队项目：梅尔罗斯超级计算挑战
13、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团队提出和模拟不同的缓解策略,收集数据并得出结论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团队与当地消防部门分享他们的研究结果和结论17初级初级学习语言结构通过搭建的练习学习语言结构通过搭建的练习学习模型和建模学习模型和建模通过改变变量进行实验通过改变变量进行实验中级中级解构模型解构模型获得编码获得编码/解码能力和持续的推理解码能力和持续的推理高级高级将一个真实
14、问题抽象成一个适合假设检验的电脑模型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评价模型,选择假设和结果选择假设和结果18CT（计算思维）迭代模型19在游戏设计和开发领域，在游戏设计和开发领域，Salen（2007）说：）说：组合一个成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，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。以及程序编程。Walt Allan等人列举了校外等人列举了校外iGame项目，项目，中学生可以参与使用中学生可以参与使用Sto
15、rytelling Alice软件对计算机原作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。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。界界定变量。20CT测量测量编码游戏编码游戏建模/抽象在他们虚构的世界里编写一个模型在他们虚构的世界里编写一个模型创建变量创建
16、变量创建新的方法创建新的方法在不同抽象水平上思考在不同抽象水平上思考算法思维顺序执行顺序执行条件（条件（if/then/else）迭代（循环）迭代（循环）事件处理事件处理并行并行21在机器人和机器人系统领域，在机器人和机器人系统领域，Walt Allan等人列举了中学等人列举了中学iCODE(Internate community of design engineers)项项目，学生需要完成大量的微型控制项目。他们根据在线项目，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
17、后改进为一个音乐记忆游戏，最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。后改进为一个完全的自我控制的机器人。222、学生计算思维培养框架、学生计算思维培养框架Walt Allan等人等人2不仅给我们提供了计算思维培养的具体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出了学生如何发展计算思维技能的“三部分三部分”框架。框架。23在应用阶段：学生们要了解如何使用技术在应用阶段：学生们要了解如何使用技术，包括界面和工具，还有其，包括界面和工
18、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。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。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。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（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）来产生不同的结果，这就是他们将在不久之后自己制
19、造原创时使用的技能。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。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。在这三个方面自由过渡，使得这三个方面形成一个循环。243、计算思维培养
20、的软件与案例、计算思维培养的软件与案例(1)scratch软件软件“音乐编辑音乐编辑”Alex Ruthmann等人等人6介绍了通过介绍了通过scratch软件进行音乐现场编码来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，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（如图些声音的同步（如图1），
21、同时还可以通过该软件教授学生其他的计），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）（如图算思维概念，如回路（递归）（如图2）、初始化、变量使用、改变）、初始化、变量使用、改变变量算法（变量算法（changing variable algorithmically）、模块化、时间处）、模块化、时间处理。理。25Scratch另外一个功能是可以作为现场的编译器（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），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以实现通过音乐现场编辑
22、代码实时控制随机音符或者连续音符的播放音符的播放,如图如图326Scartch软件是由软件是由MIT Media Lab开发的一种适于开发的一种适于8岁以上岁以上孩子的跨平台图形化编程语言（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）。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，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，运算，等等。孩子非常容易掌握，Scratch让编程变得像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
23、这个工搭积木一样简单！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、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。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、教学方儿童数字文化创作课程的目标体系、内容结构、教学方法法儿童数字文化创作课程学生作品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：活动：28另一位老师：轻松让孩子成为编程高手另一位老师：轻松让孩子
24、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基本上变成了Office入门培训。这不仅妨碍孩子对计入门培训。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。算机的了解，也促成孩子对计算机没有兴趣。从去年从去年我和儿子尝试用美国麻省理工学院提供的我和儿子尝试用美国麻省理工学院提供的Scratch编编程平台学习计算机编程。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，
25、奉献给国内的用户。适合家长和孩子一起学习。引自：引自：http:/ Walt Allan等人等人2提出要通过正式和非正式的学习机会来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：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、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：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）平衡课程的各种需要，提高
26、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；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）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；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（学习好奇心等（3）确保基础设施的可用性。）确保基础设施的可用性。3
27、42、建设性的参与及创造性的使用工具。计算思维不仅仅、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，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。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、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。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、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。程标准。35总结总结培养数字
28、时代新的思考方式培养数字时代新的思考方式计算思维，已成为各国教计算思维，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。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，而是与业领域，而是与“3R”一起成为信息时代人们的基本技能。一起成为
29、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；要创造知识创造知识,而不是使用信息；提供了问题解决新方法，培养而不是使用信息；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；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。强调增强创造力和创新思维。936参考文献：参考文献：1周以珍周以珍王飞跃翻译王飞跃翻译.计算思维计算思维.原文原文 Communications o
30、f ACM,Vol.49,No.3,March 2006,Pages 33-352 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基于培养学生计算思维的任务驱动式“离散数学
31、离散数学”教学教学模式研究模式研究J.Computer Education.4 DENG Zhenrong.Discussion of ability cultivation of computational thinking in course teaching.2009 International Conference on Education Technology and Computer.2009:197-2005 Ashok Basawapatna,Kyu Han Koh,Alexander Repenning,David C.Webb,Krista Sekeres Marshall
32、.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 Rob
33、erts.Teaching the Value of Computational Thinking to Time-Based Digital Media Students.Using ANI 201 Animation I.January 4,20098 Judith Good,Pablo Romero,Benedict du Boulay,Henry Reid,Katherine Howland,Judy Robertson.An Embodied Interface for Teaching Computational Thinking.January 13-16,20089 Ljubomir Perkovic,Amber Settle.Computational Thinking Across the Curriculum:A Conceptual Framework.December 18,200937Kids movies38Thank you!39