✖


Jump to content

Вычислительное мышление

Вычислительное мышление ( КТ ) относится к мыслительным процессам, участвующим в формулировании проблем, поэтому их решения могут быть представлены в виде вычислительных шагов и алгоритмов. [1] В образовании КТ представляет собой набор методов решения проблем , которые включают выражение проблем и их решений способами, которые также может выполнить компьютер. [2] Он включает в себя автоматизацию процессов, а также использование вычислений для исследования, анализа и понимания процессов (естественных и искусственных). [3] [4] [5]

История

[ редактировать ]

История вычислительного мышления как концепции восходит как минимум к 1950-м годам, но большинство идей намного старше. [6] [3] 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 , дизайнерское мышление, мышление на основе моделей и тому подобное. [7] Ни идея, ни термин не являются недавними: им предшествуют такие термины, как алгоритмизация, процедурное мышление, алгоритмическое мышление и вычислительная грамотность. [3] пионерами вычислительной техники, такими как Алан Перлис и Дональд Кнут , термин «вычислительное мышление» впервые был использован Сеймуром Пейпертом в 1980 году. [8] и снова в 1996 г. [9] Вычислительное мышление можно использовать для алгоритмического решения сложных масштабных задач и часто используется для значительного повышения эффективности. [10]

Фраза «вычислительное мышление» была выдвинута на первый план в образовательном сообществе в области информатики в 2006 году в результате эссе «Сообщения ACM» на эту тему, написанного Джанетт Винг . В эссе высказывалось предположение, что вычислительное мышление является фундаментальным навыком для каждого, а не только для ученых-компьютерщиков, и доказывалась важность интеграции вычислительных идей в другие школьные предметы. [11] В эссе также говорится, что, научившись вычислительному мышлению, дети будут лучше справляться со многими повседневными задачами — в качестве примеров в эссе приводилась упаковка рюкзака, поиск потерянных варежек и знание того, когда вместо этого следует прекратить брать напрокат и покупать. Континуум вопросов вычислительного мышления в образовании варьируется от K–9 вычислений для детей до профессионального и непрерывного образования, где задача состоит в том, как передать глубокие принципы, максимы и способы мышления между экспертами. [3]

В течение первых десяти лет вычислительное мышление было движением, ориентированным на США, и до сих пор этот ранний фокус наблюдается в исследованиях в этой области. [12] Наиболее цитируемые статьи и наиболее цитируемые люди были активны в начале волны CT в США, а наиболее активные исследовательские сети в этой области базируются в США. [12] В этой области преобладают американские и европейские исследователи, и неясно, в какой степени преимущественно западная исследовательская литература в этой области может удовлетворить потребности студентов из других культурных групп. [12] предпринимаются постоянные усилия по глобализации навыков эффективного мышления в повседневной жизни В сообществе Пролога , чей Комитет по образованию Пролога спонсируется Ассоциацией логического программирования. [13] Миссия состоит в том, чтобы «сделать вычислительное и логическое мышление посредством Пролога и его преемников основным предметом в образовательных программах и за их пределами во всем мире». [14]

Характеристики

[ редактировать ]

Характеристики, определяющие вычислительное мышление, — это декомпозиция , распознавание образов / представление данных , обобщение / абстракция и алгоритмы . [15] [16] Путем декомпозиции проблемы, определения задействованных переменных с использованием представления данных и создания алгоритмов получается общее решение. Общее решение — это обобщение или абстракция, которую 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 А», основанный на трех этапах:

  1. Абстракция : Формулировка проблемы;
  2. Автоматизация : выражение решения;
  3. Анализ : выполнение и оценка решения. [17]

Подключение к «четырем С»

[ редактировать ]

Четыре компонента обучения 21-го века — это общение, критическое мышление, сотрудничество и творчество. [ нужна ссылка ] . Пятым С может быть вычислительное мышление, которое влечет за собой способность решать проблемы алгоритмически и логически. Он включает в себя инструменты для создания моделей и визуализации данных. [18] Гровер описывает, как вычислительное мышление применимо к предметам, выходящим за рамки естественных наук, технологий, инженерии и математики (STEM), включая социальные науки и словесные искусства.

С момента своего создания система 4 C постепенно получила признание в качестве важного элемента многих школьных программ. Это развитие вызвало изменения в платформах и направлениях, таких как исследовательское, проектное и более глубокое обучение на всех уровнях K–12. Многие страны ввели вычислительное мышление всем учащимся: в Соединенном Королевстве КТ включено в национальную учебную программу с 2012 года. Сингапур называет КТ «национальными возможностями». Другие страны, такие как Австралия, Китай, Корея и Новая Зеландия, предприняли масштабные усилия по внедрению вычислительного мышления в школах. [19] В Соединенных Штатах президент Барак Обама создал программу «Информатика для всех», чтобы дать новому поколению студентов в Америке необходимые знания в области информатики, необходимые для процветания в цифровой экономике. [20] Вычислительное мышление означает мышление или решение проблем, как у ученых-компьютерщиков. КТ относится к мыслительным процессам, необходимым для понимания проблем и формулирования решений. КТ включает в себя логику, оценку, закономерности, автоматизацию и обобщение. Готовность к карьере может быть интегрирована в академическую среду разными способами. [21]

«Алгоритмическую» часть CT также называют «четвертым R», где остальные — чтение, письмо и арифметика.

В K–12 образовании

[ редактировать ]

Подобно Сеймуру Пейперту , Алану Перлису и Марвину Мински ранее, Жаннетт Винг предполагала, что вычислительное мышление станет неотъемлемой частью образования каждого ребенка. [11] Однако интеграция вычислительного мышления в учебную программу K–12 и обучение информатике столкнулась с рядом проблем, включая соглашение об определении вычислительного мышления, [22] [23] как оценить в нем развитие детей, [7] и как отличить его от других подобных «мышлений», таких как системное мышление, дизайн-мышление и инженерное мышление. [7] В настоящее время вычислительное мышление в широком смысле определяется как набор когнитивных навыков и процессов решения проблем, которые включают (но не ограничиваются) следующие характеристики: [23] [24] (но есть аргументы в пользу того, что лишь немногие из них, если таковые имеются, относятся именно к вычислениям, а не являются принципами во многих областях науки и техники. [3] [5] )

  • Использование абстракций и распознавания образов для представления проблемы новыми и разными способами.
  • Логическая организация и анализ данных
  • Разбиение проблемы на более мелкие части
  • Подход к проблеме с использованием методов программного мышления, таких как итерация, символическое представление и логические операции.
  • Переформулирование 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 спектр проблем.

В настоящее время 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 естественных наук, технологий, инженерного дела и математики ( STEM ) проводят классы, включающие вычислительное мышление, позволяющие учащимся практиковать навыки решения проблем, такие как метод проб и ошибок . [25] Валери Барр и Крис Стивенсон описывают модели вычислительного мышления в разных дисциплинах в статье ACM Inroads 2011 года. [22] Однако Конрад Вольфрам утверждал, что вычислительное мышление следует преподавать как отдельный предмет. [26]

Существуют онлайн-учебные заведения, которые предоставляют учебную программу и другие сопутствующие ресурсы для развития и развития у студентов довузовского обучения вычислительного мышления, анализа и решения проблем.

Центр вычислительного мышления

[ редактировать ]

В Университете Карнеги-Меллон в Питтсбурге есть Центр вычислительного мышления. Основная деятельность Центра - проведение ЗОНДОВ или проблемно-ориентированных исследований. Эти PROBEs представляют собой эксперименты, в которых новые вычислительные концепции применяются к решению задач, чтобы показать ценность вычислительного мышления. Эксперимент PROBE обычно представляет собой сотрудничество ученого-компьютерщика и эксперта в изучаемой области. Обычно эксперимент длится год. В общем, ЗОНД будет стремиться найти решение широко применимой проблемы и избегать узконаправленных проблем. Некоторые примеры экспериментов PROBE — это оптимальная логистика трансплантации почек и способы создания лекарств, которые не порождают устойчивые к лекарствам вирусы. [27]

Критика

[ редактировать ]

Понятие вычислительного мышления подвергалось критике как слишком расплывчатое, поскольку редко поясняется, чем оно отличается от других форм мышления. [6] [28] Склонность ученых-компьютерщиков навязывать вычислительные решения другим областям получила название «вычислительный шовинизм». [29] Некоторые ученые-компьютерщики обеспокоены продвижением вычислительного мышления в качестве замены более широкого образования в области информатики, поскольку вычислительное мышление представляет собой лишь небольшую часть этой области. [30] [7] Другие обеспокоены тем, что акцент на вычислительном мышлении побуждает ученых-компьютерщиков думать слишком узко о проблемах, которые они могут решить, избегая тем самым социальных, этических и экологических последствий создаваемых ими технологий. [31] [6] Кроме того, поскольку почти все исследования КТ проводятся в США и Европе, нет уверенности в том, насколько хорошо эти образовательные идеи работают в других культурных контекстах. [12]

В статье 2019 года утверждается, что термин «вычислительное мышление» (КТ) следует использовать в основном как сокращение, чтобы передать образовательную ценность информатики и, следовательно, необходимость преподавания ее в школе. [32] Стратегическая цель состоит в том, чтобы информатика признавалась в школе как автономный научный предмет, а не попытка определить «корпус знаний» или «методы оценки» для КТ. Особенно важно подчеркнуть тот факт, что научная новизна, связанная с КТ, заключается в переходе от «решения задач» в математике к «решению проблем» в информатике. Без «эффективного агента», который автоматически выполняет полученные инструкции для решения задачи, не было бы информатики, а была бы только математика. Другая критика в той же статье заключается в том, что сосредоточение внимания на «решении проблем» слишком узкое, поскольку «решение проблемы - это всего лишь случай ситуации, когда человек хочет достичь определенной цели». Таким образом, статья обобщает оригинальные определения Куни, Снайдера и Винга. [33] и Ахо [1] следующим образом: «Вычислительное мышление — это мыслительные процессы, участвующие в моделировании ситуации и определении способов, которыми агент обработки информации может эффективно действовать в ней для достижения внешне заданной (набора) целей)».

Многие определения CT описывают его только на уровне навыков, поскольку импульс его роста обусловлен его обещанием стимулировать образование STEM. И последнее движение в STEM-образовании основано на предложениях (посредством изучения теорий), которые мы учим студентам привычкам экспертов. Итак, будь то вычислительное мышление, научное мышление или инженерное мышление, мотивация одна и та же, и задача та же самая: обучение новичкам привычкам экспертов по своей сути проблематично из-за обязательных знаний содержания и практических навыков, необходимых для вовлекайте их в те же мыслительные процессы, что и экспертов. Только когда мы свяжем образ мышления экспертов с фундаментальными когнитивными процессами, мы сможем сузить их набор навыков до более базовых компетенций, которым можно научить новичков. Было проведено лишь несколько исследований, которые действительно затрагивают когнитивную сущность КТ. В их числе Ясар (Сообщения АКМ, Том 61, № 7, июль 2018 г.) [34] описывает КТ как мышление, которое генерируется/управляется вычислительным устройством, будь то биологическое или электронное. Соответственно, КТ используют все, а не только ученые-компьютерщики, и ее можно улучшить с помощью образования и опыта.

Вычислительная логика и человеческое мышление

[ редактировать ]

Вычислительная логика — это подход к вычислениям, который включает в себя как вычислительное, так и логическое мышление. Он основан на взгляде на вычисления как на применение логических рассуждений общего назначения к знаниям, специфичным для предметной области, выраженным в логических терминах.

Учебные материалы по вычислительной логике как компьютерному языку для детей были разработаны в начале 1980-х годов. [35] [36] [37] Тексты университетского уровня для студентов, не изучающих компьютерные науки, были разработаны в начале 2010-х годов. [38] [39] Совсем недавно было разработано множество новых учебных материалов, призванных преодолеть разрыв между STEM и академическими дисциплинами, не относящимися к STEM. [40] [41] [42]

См. также

[ редактировать ]

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а б Ахо, Альфред В. (январь 2011 г.). «Вычисления и вычислительное мышление» . Вездесущность . 2011 (январь). дои : 10.1145/1922681.1922682 .
  2. ^ Винг, Жаннетт (2014). «Вычислительное мышление приносит пользу обществу». Блог о социальных проблемах в области вычислений, посвященный 40-летию .
  3. ^ Jump up to: а б с д и Деннинг П.Дж. и Тедре М. Вычислительное мышление. Массачусетский технологический институт Пресс, 2019.
  4. ^ Винг, Жаннетт М. (28 октября 2008 г.). «Вычислительное мышление и мышление о вычислениях» . Философские труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 366 (1881): 3717–3725. Бибкод : 2008RSPTA.366.3717W . дои : 10.1098/rsta.2008.0118 . ISSN   1364-503X . ПМК   2696102 . ПМИД   18672462 .
  5. ^ Jump up to: а б Деннинг, Питер Дж.; Тедре, Матти (7 июля 2021 г.). «Вычислительное мышление: дисциплинарная перспектива» . Информатика в образовании . дои : 10.15388/infedu.2021.21 . ISSN   1648-5831 . S2CID   237830656 .
  6. ^ Jump up to: а б с Тедре, Матти; Деннинг, Питер (2016). «Долгий путь к вычислительному мышлению» (PDF) . Материалы 16-й конференции Koli Calling по исследованиям в области компьютерного образования .
  7. ^ Jump up to: а б с д Деннинг, Питер Дж.; Тедре, Матти (2019). Вычислительное мышление . Кембридж. ISBN  9780262353410 . OCLC   1082364202 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  8. ^ Паперт, Сеймур. Мозговые штурмы: дети, компьютеры и мощные идеи . Basic Books, Inc., 1980.
  9. ^ Паперт, Сеймур (1996). «Исследование в пространстве математического образования» . Международный журнал компьютеров для математического обучения . 1 . дои : 10.1007/BF00191473 . S2CID   46013234 .
  10. ^ Вычислительное мышление:
  11. ^ Jump up to: а б Винг, Жанетт М. (2006). «Вычислительное мышление» (PDF) . Коммуникации АКМ . 49 (3): 33–35. дои : 10.1145/1118178.1118215 . hdl : 10818/29866 . S2CID   1693513 .
  12. ^ Jump up to: а б с д Сакр, Мохаммед; Нг, Квок; Ойелере, Соломон Сандей; Тедре, Матти (2 марта 2021 г.). «Люди, идеи, вехи: наукометрическое исследование вычислительного мышления» . Транзакции ACM по компьютерному образованию . 21 (3): 20:1–20:17. дои : 10.1145/3445984 .
  13. ^ «Ассоциация логического программирования» .
  14. ^ «Пролог Образование» .
  15. ^ «Введение в вычислительное мышление» . BBC Bitesize . Проверено 25 ноября 2015 г.
  16. ^ «Изучение вычислительного мышления» . Google для образования . Проверено 25 ноября 2015 г.
  17. ^ Репеннинг, Александр (4 сентября 2016 г.). «Инструменты вычислительного мышления» . Симпозиум IEEE по визуальным языкам и человеко-ориентированным вычислениям . Проверено 7 апреля 2021 г.
  18. ^ Гровер, Шучи (25 февраля 2018 г.). «5 век навыков 21 века? Попробуйте вычислительное мышление (не программирование)» . ЭдСурдж . Проверено 25 февраля 2018 г. .
  19. ^ «5-й век навыков 21-го века? Попробуйте вычислительное мышление (не программирование) - EdSurge News» . ЭдСурдж . 2 февраля 2018 года . Проверено 11 июня 2018 г.
  20. ^ «КСфорАЛЛ» . csforall.org . Проверено 11 июня 2018 г.
  21. ^ «Будущее вперед: как внедрить 5-й уровень обучения 21 века» . Новости электронной школы . 2 октября 2017 г. Проверено 11 июня 2018 г.
  22. ^ Jump up to: а б Барр, Валери; Стивенсон, Крис (2011). «Привнесение вычислительного мышления в K–12: что это значит и какова роль образовательного сообщества в области информатики?». ACM Inroads . 2 . дои : 10.1145/1929887.1929905 . S2CID   207184749 .
  23. ^ Jump up to: а б Гровер, Шучи; Пи, Рой (2013). «Вычислительное мышление в K – 12: обзор состояния поля». Исследователь образования . 42 . дои : 10.3102/0013189x12463051 . S2CID   145509282 .
  24. ^ Стивенсон, Крис; Валери Барр (май 2011 г.). «Определение вычислительного мышления для K – 12». Голос CSTA . 7 (2): 3–4. ISSN   1555-2128 . КТ - это процесс решения проблем...
  25. ^ Барр, Дэвид; Харрисон, Джон; Лесли, Конери (1 марта 2011 г.). «Вычислительное мышление: навык цифрового века для каждого». Обучение и лидерство с помощью технологий . 38 (6): 20–23. ISSN   0278-9175 .
  26. ^ Вольфрам, Конрад. «Вычислительное мышление — ключ к успеху» . Образовательное приложение к газете «Таймс» .
  27. ^ «ЗОНДОВЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ» . www.cs.cmu.edu .
  28. ^ Джонс, Элизабет. «Проблема с вычислительным мышлением» (PDF) . АКМ . Проверено 30 ноября 2016 г. .
  29. ^ Деннинг, Питер Дж.; Тедре, Матти; Йонгпрадит, Пэт (2 февраля 2017 г.). «Заблуждения о информатике». Коммуникации АКМ . 60 (3): 31–33. дои : 10.1145/3041047 . S2CID   411880 .
  30. ^ Деннинг, Питер Дж. (1 июня 2009 г.). «За пределами вычислительного мышления». Коммуникации АКМ . 52 (6): 28. дои : 10.1145/1516046.1516054 . hdl : 10945/35494 . S2CID   215746950 .
  31. ^ Истербрук, Стив (2014). «От вычислительного мышления к системному мышлению: концептуальный набор инструментов для устойчивых вычислений» . Материалы конференции «ИКТ для устойчивого развития» 2014 года . Том. 2. дои : 10.2991/ict4s-14.2014.28 . ISBN  978-94-62520-22-6 .
  32. ^ Нарделли, Энрико (февраль 2019 г.). «Действительно ли нам нужно вычислительное мышление?» . Коммуникации АКМ . 62 (2): 32–35. дои : 10.1145/3231587 .
  33. ^ Винг, Жаннетт М. (март 2011 г.). «Исследовательский блокнот: вычислительное мышление — что и почему?» . ССЫЛКА. Журнал Школы компьютерных наук Университета Карнеги-Меллона . Университет Карнеги-Меллон, факультет компьютерных наук . Проверено 1 марта 2019 г.
  34. ^ Ясар, Осман (1 июля 2018 г.). «Новый взгляд на вычислительное мышление». Коммуникации АКМ . 61 (7): 33–39. дои : 10.1145/3214354 . S2CID   49406930 .
  35. ^ Ковальски, Р. Логика как компьютерный язык для детей, в материалах Европейской конференции по искусственному интеллекту, Орсе, Франция, июль 1982 г. Перепечатано в «Новых горизонтах образовательных вычислений» (под ред. М. Яздани), Ellis Horwood Ltd., Чичестер, 1984, стр. 121–144. Перепечатано в книге «Прогресс в области искусственного интеллекта» (ред. Л. Стил и Дж. А. Кэмпбелл), Ellis Horwood Ltd., Чичестер. http://www.doc.ic.ac.uk/~rak/papers/Logic%20for%20Children.pdf
  36. ^ Энналс, Р., 1983. Начало микро-ПРОЛОГА. Эллис Хорвуд.
  37. ^ Конлон, Т., 1985. Обучение микропрологу. Аддисон-Уэсли
  38. ^ Левеск, HJ, 2012. Мышление как вычисление: первый курс. МТИ Пресс.
  39. ^ Ковальски, Р., 2011. Вычислительная логика и человеческое мышление: как стать искусственным интеллектом. Издательство Кембриджского университета. http://www.doc.ic.ac.uk/~rak/papers/newbook.pdf
  40. ^ Чекки, Л.А., Родригес, Дж.П. и Даль, В., 2023. Логическое программирование в начальной школе: почему, чему и как мы должны учить детей логическому программированию? В Прологе: Следующие 50 лет (стр. 131–143). Чам: Springer Nature, Швейцария.
  41. ^ Ковальски Р., Давила Дж., Сартор Г. и Калехо М., 2023. Логический английский для права и образования. В Прологе: Следующие 50 лет (стр. 287–299). Чам: Springer Nature, Швейцария. https://www.doc.ic.ac.uk/~rak/papers/Logical%20English%20for%20Law%20and%20Education%20.pdf
  42. ^ Уоррен, Д.С., Даль, В., Эйтер, Т., Эрменегильдо, М.В., Ковальски, Р.А. и Росси, Ф., 2023. Пролог: Следующие 50 лет, том 13900 конспектов лекций по информатике.

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
В Wikibook A-level Computing есть страница на тему: Введение в принципы вычислений.
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Computational_thinking&oldid=1229915464"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 9d97b0407c0ba92226b8fb688a9171c5__1718787480
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/9d/c5/9d97b0407c0ba92226b8fb688a9171c5.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Computational thinking - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)