計算思維如何培養(yǎng)和評估

1、計算思維如何培養(yǎng)和評估 不要只是買一個新的電腦游戲，自己做一個；不要只是下載最新的應用程序，幫助設計 它；不要單純在手機上玩，編寫它的代碼。無論你在城市還是農(nóng)村，電腦將是你未來的重要 組成部分。如果你愿意工作，努力學習，未來將由你們創(chuàng)造?！边@是美國總統(tǒng)奧巴馬在 2013 年“編程一小時”活動開幕時發(fā)表的講話。 Wing教授（2011）重提此話題時對“計算思維”的定義：計算思維是指對問題進行闡 釋和解決的思考過程，并形成能被信息處理機構有效執(zhí)行的解決方案。 “分析問題” “解決問題”這兩個關鍵詞 現(xiàn)在被廣泛認可為構成計算思維的要素，及促進其學習和發(fā)展的課程基礎的要素如下： 抽象和模式概括（包括模

2、型和仿真模擬） 系統(tǒng)性信息處理 符號系統(tǒng)和及其展示 控制流程的算法概念 結(jié)構化問題分解（模塊化） 迭代，遞歸及并行思維 條件邏輯 效率及性能限制 調(diào)試和系統(tǒng)錯誤監(jiān)測 計算思維培養(yǎng)工具及其測評 “低地板，高天花板”，這些編程環(huán)境既需要滿足易于初學者入門的程序（低地板）， 同樣要具有具有良好擴展性滿足高級程序員使用（高天花板）。對學齡兒童來說，豐富的計 算環(huán)境和有效的計算思維工具必須具有低門檻和高的上限兩個特征，此外還需要包含一些腳 手架工具，支持編程移植性，支持公平，具有系統(tǒng)性和可持續(xù)性等特征（Repenning, Webb & loannidou , 2010 ）。 評估學生對解決問題的抽象能

3、力、條件邏輯、算法思維等計算思維概念的理解和使用。 一直以來，教育界都呼吁用解構、 反向工程和調(diào)試程序這些指標評估兒童在計算環(huán)境下的理 解力。Fields, Searle, Kafai和Min （2012）曾通讓學生調(diào)試預設的故障電子織物來評估其工 程和編程技能。 Han Koh, Basawapat na, Benn ett和Repe nning （2010）則用一些高難度的問 題對學生進行評估，這種使用潛能激發(fā)式的方法在實際操作中取得了一些成效。 從少兒編程看計算思維”的習得與養(yǎng)成 編程是指書寫一種計算機語言，用計算機能夠理解的方式，負責向它發(fā)出精確的指令， 來完成我們設定的具體問題，屬于

4、一種人機交互過程。 學習編程的核心，不在于掌握具體哪一種計算機語言。編程語言在不斷革新，幾行今天 所謂炫酷的代碼，在不久的將來一定會成為老掉牙的古董。 學習編程的本質(zhì)，實則在于思維方式的養(yǎng)成，是一種計算性的思維方式。通過編程獲得 的計算性思維邏輯，可以有效得以創(chuàng)造性地進行具體的學習和實踐活動 這種思維方式看似遙遠與抽象，其實從日常生活，到知識的學習和研究，再到公司的決 策，人類的工作生活都與計算性思維息息相關、緊密相連。 計算思維(Computational Thinking)，卡內(nèi)基梅隆大學( Carnegie Mellon University，簡 稱CMU)計算機科學系主任周以真(Jea

5、nnette M. Wing )教授提出的，是運用計算機科學的 思維方式進行問題求解、系統(tǒng)設計、以及人類行為理解等一系列的思維活動。是一種用電腦 的邏輯來解決問題的思維。 它吸取了數(shù)學思維方法，龐大復雜系統(tǒng)的設計與評估的一般工程思維方法，以及復雜性、 智能、心理、人類行為的理解等的一般科學思維方法。 計算機科學在本質(zhì)上源自數(shù)學思維，因為像所有的科學一樣， 其形式化基礎建筑于數(shù)學 之上。計算機科學又從實質(zhì)上源自工程思維，因為我們建造的是能夠與實際世界互動的系統(tǒng)， 基本計算設備的限制迫使計算機學家必須計算性地思考，不能只是數(shù)學性地思考。同時，構 建虛擬世界的自由使我們能夠設計超越物理世界的各種系統(tǒng)

6、。 計算思維是每個人得以更好學習和發(fā)展的基本技能，不僅僅屬于計算機科學家，是一種 基本技能和普適思維方法。它對所有的領域、職業(yè)都是適用的，都是能夠從中受益的。 我們 應當使每個孩子在培養(yǎng)解析能力時不僅掌握閱讀、寫作和算術(Reading, Writing and Arithmetic 3R)，還要學會計算思維。 當我們必須求解一個特定的問題時，首先會問：解決這個問題有多么困難？怎樣才是最 佳的解決方法？ 計算思維能夠?qū)⒁粋€問題清晰、抽象地描述出來，并將問題的解決方案表示為一個信息 處理的流程。它是一種解決問題切入的角度?，F(xiàn)實中針對某一問題你會發(fā)現(xiàn)有很多解決方案 的切入角度，而計算性思維是一種抽

7、象話語模式。 具體而言，計算思維包括，轉(zhuǎn)換問題、分解問題、模式認知、抽象思維、算法設計與評 估。 轉(zhuǎn)換問題，是指計算思維就是通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個看來困難的 問題重新闡釋成一個我們知道問題怎樣解決的方法。 分解問題，是一種采用分解來控制龐雜的任務或進行巨大復雜系統(tǒng)設計的方法，是基于 關注分離，選擇合適的方式去陳述一個問題，或?qū)σ粋€問題的相關方面建模使其易于處理的 思維模式。 通俗地說，是指把一個看似復雜的問題分拆成幾個小問題來解決。在每個小問題中設定 目標和解決方案。當每個小問題解決完畢，這個整體的問題也就自然得到解決了。也就是說 遇到任何龐大而復雜的問題，都可以通過拆分出有

8、邏輯關系的小塊問題，然后在每個小模塊 里面解決。 而轉(zhuǎn)換問題加分解問題，可以理解為計算機里的“遞歸算法”問題(recursion )。適用 于將想解決的一個問題轉(zhuǎn)化為解決他的子問題，而他的子問題又變成子問題的子問題，子問 題的解應能組合為整個問題的解。同時我們發(fā)現(xiàn)這些問題其實都是一個模型，也就是說存在 相同的邏輯歸納處理項。 總而言之，遞歸的思想是把規(guī)模大的問題轉(zhuǎn)化為規(guī)模小的相似的子 問題來解決，描述以自相似方法重復事物的過程，遞歸本質(zhì)上也是函數(shù)的調(diào)用，是一種簡化 問題的思維方式，可以將計算機中的遞歸問題理解為數(shù)學中的歸納法。 模式認知，是指學習者對信息的獲取、處理的模式。是利用啟發(fā)式推理尋求

9、解答，也即 在不確定情況下的規(guī)劃、 學習和調(diào)度的思維方法， 或根據(jù)已有的直接經(jīng)驗和學習獲得的間接 經(jīng)驗，來解決需要解決的問題的過程。 抽象思維，通過抽象分析，把工作分出主次，剝離出核心和本質(zhì)問題，然后著重去關注 和解決這些主要的方面和問題。 算法設計與評估?？梢岳斫鉃榻鉀Q方案的設計與評估，屬于一種具體的解決方案。運用 好計算思維中的算法設計， 嚴謹精確科學地規(guī)劃好每一步方案，自然會達成目的。與此同時， 在設計實驗內(nèi)容時，嘗試多種方法來實現(xiàn)同一個計算任務，提倡算法多樣化的同時，思考和 分析已有算法的優(yōu)缺點，進行簡化和優(yōu)化。這體現(xiàn)出在時間和空間之間，在計算機處理能力 和存儲容量之間需要進行折衷的思

10、維方法，進而培養(yǎng)計算思維的多樣性和靈活性。 所以計算思維將成為每一個人的解決實際問題所需技能的基本組成之一，而不僅僅限于 科學家解決學術問題，或者軟件工程師完成具體工作任務時才需要 具體而言，計算機思維最重要的就是可以幫助人們在真實的情況下解決問題。一個真正 問題的實現(xiàn)，由于種種的限制，你不可能達到一種完美的抽象，抽象的過程當中，一定會有 各種各樣的性質(zhì)。如果當一個人碰到問題時，他會先對這個問題進行抽象，抽象之后去對它 進行一種重新的計算性表達，然后發(fā)揮自己工程性的思維，會考慮這個問題的解決效率是不 是高，表達是不是準確，那么就說明這個人確實是一個有計算性思維的人。其實從計算性思 維角度來說，這就是給定有限的資源，我如何去設定幾個并行的流程的問題，實際上說白了 就是一個任務統(tǒng)籌設計。 普適計算之于今天就如計算思維之于明天。普適計算是已成為今日現(xiàn)實的昨日之夢，而 計算思維就是明日現(xiàn)實。 MIT開發(fā)的Scratch，是一種可視化編程語言和環(huán)境，可通過簡單直觀的圖譜結(jié)構實現(xiàn)編 程，通過它設計的程序和算法亦可直接轉(zhuǎn)換成為C+、c#、Java等高級程序語言，為程序和 算法設計的基礎課程提供教學實驗環(huán)境。讓程序設計課程從復雜的語法規(guī)則中解放出來，