計(jì)算思維如何培養(yǎng)和評(píng)價(jià)

1、計(jì)算思維如何培養(yǎng)和評(píng)估不要只是買(mǎi)一個(gè)新的電腦游戲，自己做一個(gè)；不要只是下載最新的應(yīng)用程序，幫助設(shè)計(jì)它；不要單純?cè)谑謾C(jī)上玩，編寫(xiě)它的代碼。無(wú)論你在城市還是農(nóng)村，電腦將是你未來(lái)的重要 組成部分。如果你愿意工作，努力學(xué)習(xí)，未來(lái)將由你們創(chuàng)造?！边@是美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬在 2013年“編程一小時(shí)”活動(dòng)開(kāi)幕時(shí)發(fā)表的講話。Wing教授（2011）重提此話題時(shí)對(duì)“計(jì)算思維”的定義：計(jì)算思維是指對(duì)問(wèn)題進(jìn)行闡 釋和解決的思考過(guò)程，并形成能被信息處理機(jī)構(gòu)有效執(zhí)行的解決方案?！胺治鰡?wèn)題” “解決問(wèn)題”這兩個(gè)關(guān)鍵詞現(xiàn)在被廣泛認(rèn)可為構(gòu)成計(jì)算思維的要素，及促進(jìn)其學(xué)習(xí)和發(fā)展的課程基礎(chǔ)的要素如下：抽象和模式概括（包括模型和仿真模擬）

2、系統(tǒng)性信息處理符號(hào)系統(tǒng)和及其展示 控制流程的算法概念 結(jié)構(gòu)化問(wèn)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(cuò)誤監(jiān)測(cè)計(jì)算思維培養(yǎng)工具及其測(cè)評(píng)“低地板，高天花板”，這些編程環(huán)境既需要滿足易于初學(xué)者入門(mén)的程序（低地板），同樣要具有具有良好擴(kuò)展性滿足高級(jí)程序員使用（高天花板）。對(duì)學(xué)齡兒童來(lái)說(shuō)，豐富的計(jì)算環(huán)境和有效的計(jì)算思維工具必須具有低門(mén)檻和高的上限兩個(gè)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(píng)估學(xué)生對(duì)解決問(wèn)題的抽象能力、條件邏輯、算法思維等計(jì)算思維概念

3、的理解和使用。 一直以來(lái)，教育界都呼吁用解構(gòu)、 反向工程和調(diào)試程序這些指標(biāo)評(píng)估兒童在計(jì)算環(huán)境下的理 解力。Fields, Searle, Kafai和Min （2012）曾通讓學(xué)生調(diào)試預(yù)設(shè)的故障電子織物來(lái)評(píng)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(wèn) 題對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)估，這種使用潛能激發(fā)式的方法在實(shí)際操作中取得了一些成效。從少兒編程看計(jì)算思維”的習(xí)得與養(yǎng)成編程是指書(shū)寫(xiě)一種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，用計(jì)算機(jī)能夠理解的方式，負(fù)責(zé)向它發(fā)出精確的指令， 來(lái)完成我們?cè)O(shè)定的具體問(wèn)題，屬于一種人機(jī)交互過(guò)程。學(xué)習(xí)編程的核心，不在于

4、掌握具體哪一種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。編程語(yǔ)言在不斷革新，幾行今天所謂炫酷的代碼，在不久的將來(lái)一定會(huì)成為老掉牙的古董。學(xué)習(xí)編程的本質(zhì)，實(shí)則在于思維方式的養(yǎng)成，是一種計(jì)算性的思維方式。通過(guò)編程獲得的計(jì)算性思維邏輯，可以有效得以創(chuàng)造性地進(jìn)行具體的學(xué)習(xí)和實(shí)踐活動(dòng)這種思維方式看似遙遠(yuǎn)與抽象，其實(shí)從日常生活，到知識(shí)的學(xué)習(xí)和研究，再到公司的決策，人類(lèi)的工作生活都與計(jì)算性思維息息相關(guān)、緊密相連。計(jì)算思維(Computational Thinking)，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)( Carnegie Mellon University，簡(jiǎn) 稱(chēng)CMU)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真(Jeannette M. Wing )教授提出的，是運(yùn)用計(jì)算

5、機(jī)科學(xué)的 思維方式進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及人類(lèi)行為理解等一系列的思維活動(dòng)。是一種用電腦的邏輯來(lái)解決問(wèn)題的思維。它吸取了數(shù)學(xué)思維方法，龐大復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與評(píng)估的一般工程思維方法，以及復(fù)雜性、智能、心理、人類(lèi)行為的理解等的一般科學(xué)思維方法。計(jì)算機(jī)科學(xué)在本質(zhì)上源自數(shù)學(xué)思維，因?yàn)橄袼械目茖W(xué)一樣，其形式化基礎(chǔ)建筑于數(shù)學(xué)之上。計(jì)算機(jī)科學(xué)又從實(shí)質(zhì)上源自工程思維，因?yàn)槲覀兘ㄔ斓氖悄軌蚺c實(shí)際世界互動(dòng)的系統(tǒng)，基本計(jì)算設(shè)備的限制迫使計(jì)算機(jī)學(xué)家必須計(jì)算性地思考，不能只是數(shù)學(xué)性地思考。同時(shí)，構(gòu)建虛擬世界的自由使我們能夠設(shè)計(jì)超越物理世界的各種系統(tǒng)。計(jì)算思維是每個(gè)人得以更好學(xué)習(xí)和發(fā)展的基本技能，不僅僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家

6、，是一種基本技能和普適思維方法。它對(duì)所有的領(lǐng)域、職業(yè)都是適用的，都是能夠從中受益的。 我們應(yīng)當(dāng)使每個(gè)孩子在培養(yǎng)解析能力時(shí)不僅掌握閱讀、寫(xiě)作和算術(shù)(Reading, Writing andArithmetic 3R)，還要學(xué)會(huì)計(jì)算思維。當(dāng)我們必須求解一個(gè)特定的問(wèn)題時(shí)，首先會(huì)問(wèn)：解決這個(gè)問(wèn)題有多么困難？怎樣才是最佳的解決方法？計(jì)算思維能夠?qū)⒁粋€(gè)問(wèn)題清晰、抽象地描述出來(lái)，并將問(wèn)題的解決方案表示為一個(gè)信息 處理的流程。它是一種解決問(wèn)題切入的角度?，F(xiàn)實(shí)中針對(duì)某一問(wèn)題你會(huì)發(fā)現(xiàn)有很多解決方案 的切入角度，而計(jì)算性思維是一種抽象話語(yǔ)模式。具體而言，計(jì)算思維包括，轉(zhuǎn)換問(wèn)題、分解問(wèn)題、模式認(rèn)知、抽象思維、算法設(shè)計(jì)

7、與評(píng) 估。轉(zhuǎn)換問(wèn)題，是指計(jì)算思維就是通過(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)看來(lái)困難的問(wèn)題重新闡釋成一個(gè)我們知道問(wèn)題怎樣解決的方法。分解問(wèn)題，是一種采用分解來(lái)控制龐雜的任務(wù)或進(jìn)行巨大復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，是基于關(guān)注分離，選擇合適的方式去陳述一個(gè)問(wèn)題，或?qū)σ粋€(gè)問(wèn)題的相關(guān)方面建模使其易于處理的思維模式。通俗地說(shuō)，是指把一個(gè)看似復(fù)雜的問(wèn)題分拆成幾個(gè)小問(wèn)題來(lái)解決。在每個(gè)小問(wèn)題中設(shè)定目標(biāo)和解決方案。當(dāng)每個(gè)小問(wèn)題解決完畢，這個(gè)整體的問(wèn)題也就自然得到解決了。也就是說(shuō)遇到任何龐大而復(fù)雜的問(wèn)題，都可以通過(guò)拆分出有邏輯關(guān)系的小塊問(wèn)題，然后在每個(gè)小模塊里面解決。而轉(zhuǎn)換問(wèn)題加分解問(wèn)題，可以理解為計(jì)算機(jī)里的“遞歸算法”問(wèn)

8、題(recursion )。適用于將想解決的一個(gè)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為解決他的子問(wèn)題，而他的子問(wèn)題又變成子問(wèn)題的子問(wèn)題，子問(wèn)題的解應(yīng)能組合為整個(gè)問(wèn)題的解。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)這些問(wèn)題其實(shí)都是一個(gè)模型，也就是說(shuō)存在相同的邏輯歸納處理項(xiàng)。 總而言之，遞歸的思想是把規(guī)模大的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為規(guī)模小的相似的子 問(wèn)題來(lái)解決，描述以自相似方法重復(fù)事物的過(guò)程，遞歸本質(zhì)上也是函數(shù)的調(diào)用，是一種簡(jiǎn)化問(wèn)題的思維方式，可以將計(jì)算機(jī)中的遞歸問(wèn)題理解為數(shù)學(xué)中的歸納法。模式認(rèn)知，是指學(xué)習(xí)者對(duì)信息的獲取、處理的模式。是利用啟發(fā)式推理尋求解答，也即在不確定情況下的規(guī)劃、 學(xué)習(xí)和調(diào)度的思維方法， 或根據(jù)已有的直接經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)獲得的間接 經(jīng)驗(yàn)，來(lái)解決需要解決

9、的問(wèn)題的過(guò)程。抽象思維，通過(guò)抽象分析，把工作分出主次，剝離出核心和本質(zhì)問(wèn)題，然后著重去關(guān)注和解決這些主要的方面和問(wèn)題。算法設(shè)計(jì)與評(píng)估?？梢岳斫鉃榻鉀Q方案的設(shè)計(jì)與評(píng)估，屬于一種具體的解決方案。運(yùn)用好計(jì)算思維中的算法設(shè)計(jì)， 嚴(yán)謹(jǐn)精確科學(xué)地規(guī)劃好每一步方案，自然會(huì)達(dá)成目的。與此同時(shí)，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，嘗試多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)同一個(gè)計(jì)算任務(wù)，提倡算法多樣化的同時(shí)， 思考和分析已有算法的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行簡(jiǎn)化和優(yōu)化。這體現(xiàn)出在時(shí)間和空間之間，在計(jì)算機(jī)處理能力和存儲(chǔ)容量之間需要進(jìn)行折衷的思維方法，進(jìn)而培養(yǎng)計(jì)算思維的多樣性和靈活性。所以計(jì)算思維將成為每一個(gè)人的解決實(shí)際問(wèn)題所需技能的基本組成之一，而不僅僅限于科學(xué)家解決學(xué)

10、術(shù)問(wèn)題，或者軟件工程師完成具體工作任務(wù)時(shí)才需要具體而言，計(jì)算機(jī)思維最重要的就是可以幫助人們?cè)谡鎸?shí)的情況下解決問(wèn)題。一個(gè)真正問(wèn)題的實(shí)現(xiàn)，由于種種的限制，你不可能達(dá)到一種完美的抽象，抽象的過(guò)程當(dāng)中，一定會(huì)有各種各樣的性質(zhì)。如果當(dāng)一個(gè)人碰到問(wèn)題時(shí)，他會(huì)先對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行抽象，抽象之后去對(duì)它進(jìn)行一種重新的計(jì)算性表達(dá)，然后發(fā)揮自己工程性的思維，會(huì)考慮這個(gè)問(wèn)題的解決效率是不是高，表達(dá)是不是準(zhǔn)確，那么就說(shuō)明這個(gè)人確實(shí)是一個(gè)有計(jì)算性思維的人。其實(shí)從計(jì)算性思維角度來(lái)說(shuō)，這就是給定有限的資源， 我如何去設(shè)定幾個(gè)并行的流程的問(wèn)題，實(shí)際上說(shuō)白了就是一個(gè)任務(wù)統(tǒng)籌設(shè)計(jì)。普適計(jì)算之于今天就如計(jì)算思維之于明天。普適計(jì)算是已成為今日現(xiàn)實(shí)的昨日之夢(mèng)，而計(jì)算思維就是明日現(xiàn)實(shí)。MIT開(kāi)發(fā)的Scratch，是一種可視化編程語(yǔ)言和環(huán)境，可通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的圖譜結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)編程，通過(guò)它設(shè)計(jì)的程序和算法亦可直接轉(zhuǎn)換成為C+、c#、Java等高級(jí)程序語(yǔ)言，為程序和算法設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)課程提供教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。讓程序設(shè)計(jì)課程從復(fù)雜的語(yǔ)法規(guī)則中解放出來(lái)，將