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21世纪核心能力:计算思维(不是编程)

2019-01-30  老苏读书

作者介绍丨Shuchi Grover 舒齐古沃

美国知名的教育科学家,斯坦福大学教育学院博士,主攻学习科学与技术设计学科理论,美国计算机协会期刊《ACM计算教育会报》副主编,国家项目《K-12计算机科学教育框架》顾问,CSTA(计算机科学教师协会)成员。

舒齐博士目前的研究主要关注K-12中的STEM和计算机科学教育,其研究涵盖了计算思维、计算机科学、STEM学习在K-12教育中的课程设计、评估分析、教师准备及相关心理学等领域。致力于帮助儿童从早期开始提高以计算思维为核心的综合思维能力,是目前这个领域的领军人物。

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计算思维——21世纪核心能力

计算科学已经无处不在——改变人们的工作、合作、沟通、购物、衣食住行、学习等,一言蔽之,就是改变了人们的生活,从艺术到科学政治,没有任何领域不受影响。

在过去十年中,我们同样目睹了被冠以“计算X”的各种学科兴起,其中“X”代表从物理到新闻学的各个领域学科。

但最大的问题是:目前的K12教育是否为每个学生提供了必要的技能,使他们成为创新者或解决问题的人,甚至只是具备必要的知识和信息,从而能在这个充满计算科学的新世纪中取得成功?

进入新世纪以来,“4C能力”——批判性思维(Critical Thinking)、创造力(Creativity)、合作能力(Collaboration)和沟通能力(Communication),已经越来越普遍地被认为是学校课程的基本要素。这种转变进而推动教学框架中更多采用诸如项目式学习(PBL)、探究式学习等,强调高阶思维而非死记硬背的学习方式。

我认为,在此基础上,我们务必要把计算思维(Computational Thinking,CT)作为另一项核心技能,或者说21世纪“第5个C”,教授给所有学生。


计算思维教育的全球部署

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全球各地的教育系统越来越认识到,能够用计算机的方式来解决问题,即进行逻辑和算法上的思考并使用计算工具创建模型和数据可视化,正迅速成为所有领域专业人才的先决条件能力。

2012年,英国国家课程开始向所有学生介绍计算机科学(CS);新加坡将其作为“智能国家”计划的一部分,已将计算思维的发展列为“国家能力”;其他国家,从芬兰到韩国,从中国到澳大利亚和新西兰,都已经开展了大规模的努力,将计算思维引入学校课程 ,无论是作为新的计算机科学CS课程的一部分或是融入现有其它科目。美国前总统奥巴马呼吁所有K12学生都应该接受计算思维能力培养,作为2016年“全民计算机科学”计划的一部分。在美国,涉及计算思维的大多数新兴课程目前都是CS课程的一部分,而CT正越来越多地融入到STEM(尤其是科学)学习中去。

在深入了解K-12中的计算思维之前,让我们先明确这些努力并不意味着每个孩子都应该成为一名计算机科学家。正如数学和科学的基本素养被认为对所有儿童理解世界如何运作至关重要一样,我们的教育必须解决与各个职业紧密关联的计算机科学中相关知识技能的发展问题。


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什么是计算思维

究竟什么是计算思维,它与计算机科学和编程(编码)的关系是什么?

简而言之,计算思维就是像计算机科学家一样“思考”(或解决问题)。这是一个思维过程,涉及理解问题并以一种计算机可以执行的方式表达其解决方案。 计算思维是使用计算机科学中的算法概念与策略来制定、分析和解决问题。

像一般思维技能一样,计算思维有点像领导力——难以定义,但当你看到时你就会知道。许多人将其与编程和自动化等概念联系在一起,当然这些都是计算机科学的核心部分。但教育工作者和研究人员发现,将计算思维设计为教学课程并进行评估的可操作性更强。

这意味着将计算思维技能细化分解,包括了逻辑、算法、模式、抽象、综合、评估和自动化等概念。它还意味着将问题“分解”为子问题以便解决的方法,创建相关作品(通常通过编程)、测试调试、迭代细化。

计算思维还涉及合作与创造力!而且,它并不需要真的涉及电脑。


计算思维与其他学科

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如果这些听起来有点不靠谱,请先不要担心。与任何技能一样,计算思维最好是在上下文情景中教授和学习,嵌入到具体的课堂科目中去。例如,分析和逻辑思维可以通过谜题和单词问题来培养。事实上,除了数学或计算机科学之外,这种逻辑论证和逻辑思维的问题可以作为语言艺术的一部分来对待。

编程学习是开发计算思维技能非常有趣实用的方法,但这不是唯一的方法。以下是一些在学科中培养计算思维的方式,有些是不插电的,有些则会受益于编程学习。老师们会发现许多非编程的活动内容是他们已经在做的事情!


1.语言艺术

  • 使用逻辑以正确的顺序组合一个混乱的故事

  • 识别句型模式和语法规则

  • 使用一阶逻辑基于给定的事实得出结论

  • 构建社交网络以分析故事

  • 选择自己的冒险途径,编写自己的故事


2.数学

  • 通过程序在代数中建模函数

  • 写一个关于如何进行矩阵乘法或如何求解二次方程的算法

  • 使用问题分解来解决单词问题

  • 通过模式识别来概括总结


3.科学

  • 使用明确的“If-Then”逻辑进行物种分类

  • 建立物理现象的计算模型

  • 通过创建计算模型和模拟来研究现象,而不是使用预先开发的模拟软件


4.社会科学

  • 研究数据并识别历史事件的模式和趋势

  • 创建这些模式和趋势的可视化模型

  • 创建一个模拟模型来研究社会科学现象中的关系,如女性的教育和健康

  • 为社交系统、社交网络或社交选择创建模型。


教师可能会发现上述一些非编程活动是他们早已经在开展的!确实,许多活动都会引用到相同的思维技能,而不会被标记为计算思维。我们的想法是更加有意识地去建立起清晰明确的计算思维能力培养,将编程工具结合到一些活动中去,利用可能的自动化和计算解决方案来解决问题。


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对计算思维的一些常见误解

关于计算思维的一个常见误解是“计算思维与编程是同一件事情”。这不太准确。虽然编程是教授计算思维的常用工具,但计算思维却不仅仅是编程,而是在编程之前,用于理解问题、分析问题和制定解决方案的思维技能。(同时还要强调一下,编程也不一定是计算思维过程的最终产出)

很少有人会质疑编程是在K-12阶段学习和应用计算思维的有效方法。但我们需要明确的是,计算思维是在编程之前(以及编程过程中)对于问题分析和分解的思维过程。

计算思维经常让学生提出并回答类似这些问题:这个问题可以通过人或计算机更好/更容易地解决吗?这个问题与我们之前处理的类似问题之间是否存在统一模式?如何才能最好地组织数据来解决这个问题?如何创建适用各种情况的通用解决方案?我能说清楚解决这个问题的每一步程序是什么吗?哪些计算策略可以被采纳?这个问题的解决方案有哪些局限、权衡和限制?

此外,计算思维也不应该与“数字素养”相混淆,“数字素养”通常是指与技术相关的,如学校关注的教学中如何使用软件、数字工具和互联网等。 计算思维不是关于如何使用数字技术;更确切地说,计算思维帮助了解如何设计数字技术,通过运用计算工具。

让教师具备教授计算思维的能力,是学校走出的关键第一步。在教师原有的学科背景下教授计算思维有更多好处,使他们更容易能够建立联系。对老师来说,获得课程和评估、获得专业成长以及计算思维教学的最佳实践,最重要的是,成为教育者社区的一部分,这对于将21世纪这一核心能力带给所有儿童都同样至关重要。


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