计算思维：小中高一贯的信息技术教育的新目标、新方法20150516.pptx

华南师范大学 教育信息技术学院 认知与技术研究室徐晓东,计算思维：小中高一贯的信息技术教育的新目标、新方法,高中信息技术教育亟待解决的问题,目前、以及未来10年，我国中小学“信息技术”教育课程与教学亟待解决的问题：如何教？教什么？,华南师范大学 认知与教学团队,2,关于教什么？,谁决定应该“教什么”？课程制定者通过“课程”制定该学科教学内容课程制定者：学科专家、课程专家、中小学普通教师、教育管理者、社会团体以及家长等；课程编订三要素：社会、人、教育内容社会、教育（教育主体、教育内容）、信息技术；,华南师范大学 认知与教学团队,3,我国课程的层级,华南师范大学 认知与教学团队,4,我国高中信息技术课程标准,教育部2003年公布的全日制普通高中信息技术课程标准（试行）基础教育信息技术课程标准（中国教育技术协会信息技术教育专业委员会，2011.6月。征求意见稿内部交流用）基础教育信息技术课程标准（中国教育技术协会信息技术教育专业委员会版，2012年4月内部交流用）,华南师范大学 认知与教学团队,5,我国高中信息技术课程目标,基础教育阶段信息技术课程的总目标是培养和提升学生的信息素养。信息素养？定义：有效和灵活的运用信息和信息技术的能力。信息和信息技术知识（科学地理解信息和信息技术）信息和信息技术能力和技能（信息运用的实践力）正确参与信息化社会的态度（参与信息化社会的态度）特征：最基本的、不可或缺的。（引自：信息技术教育的理论与方法高等教育出版社，2004年）,6,国外高中信息技术课程目标,习得信息和信息技术相关的知识和技能，养成科学地看待和思考信息，理解现实社会中信息和信息技术所发挥的作用和产生的影响，培育在信息化进程中能够主体地进行应对的能力和态度。（文部科学省，高等学校学习指导要领，2011年1月）重视课程的连贯性和切实掌握；重视养成科学思考且切实掌握；继续重视健全道德和安全意识；重视切实掌握主体性应对能力（解决自身遇到的有关信息技术的实际问题能力）。,华南师范大学 认知与教学团队,7,我国高中信息技术课程内容结构,目标：以技术应用和能力训练为主课程：“网络技术应用”“多媒体技术应用”“算法与程序设计”（各36课时）（删除了：数据管理技术、人工智能初步）各地根据情况，选择开设2课程。,华南师范大学 认知与教学团队,8,国外高中信息技术课程内容结构,目标：培养能够创造高附加价值的人才；从社会和科学视角出发，开展具有深度和广度的信息和信息技术的学习。社会与信息信息的科学 各2学分根据学生自身兴趣、爱好、多样化能力、适应性等，自由选择一科目。必须设置所有科目；由学生主体性选择。,华南师范大学 认知与教学团队,9,我国高中信息技术教育课程,模块一：网络技术应用目标：学生应了解网络通信的基本原理和基本应用技能；掌握日常网络应用及简单操作；了解互联网的新技术和发展趋势；了解网络应用系统设计与开发的基本技术与过程。内容包含：网络基础知识；网络通信的基本原理和网络应用系统的开发与设计；网络数据库应用初步。,华南师范大学 认知与教学团队,10,模块一：网络技术应用,华南师范大学 认知与教学团队,11,华南师范大学 认知与教学团队 综合实践活动教师培训,12,国外“普通学科”信息技术教育课程,社会和信息目标：（与改订前比内容加深，适应发展需要）理解信息的特征和信息化给社会带来的影响，灵活运用信息机器和信息通讯网络有效地收集、加工、表征信息的同时，养成开展交流的能力，培育积极地参与信息化社会的态度。内容包括：信息的活用和表征信息通讯网络和交流信息社会的课题和信息道德建设期待的信息化社会,华南师范大学 认知与教学团队,13,国外“普通学科”信息技术教育课程,“理解是基调”信息活用和表现信息和媒体的特征信息的数字化信息的表现和传送信息通信网络和交流交流手段的发展信息通信网络的组成信息通信网络活动和交流,华南师范大学 认知与教学团队,14,国外“普通学科”信息技术教育课程,信息社会的课题和信息道德信息化对社会产生的影响和课题信息安全的保障信息社会的法规和个人的责任建设期待的信息社会社会中的信息系统信息系统和人信息社会的问题解决,华南师范大学 认知与教学团队,15,模块二：多媒体技术应用,目标：学生应能掌握关于图形图像、声音、动画、视频等多媒体技术的较为全面的知识和技能，进而实现对多媒体技术的综合运用，把握其社会应用特征并树立相关伦理道德意识。内容包括：“图形图像”；“声音”；“动画”；“视频”“综合”,华南师范大学 认知与教学团队,16,华南师范大学 认知与教学团队,17,18,19,模块三：算法与程序设计,目标：学生应能体验算法思想，了解算法和程序设计在解决问题过程中的地位和作用；能从简单问题出发，设计解决问题的算法，并能使用一种程序设计语言实现算法和解决问题。四个单元：程序基础；统计类问题；计算类问题；程序开发。,华南师范大学 认知与教学团队,20,21,22,国外“普通学科”信息技术教育课程,信息的科学（有别于信息科学情报科学）目标：理解支撑信息社会的信息技术的作用和影响，为了能够将信息和信息技术作为有效发现问题和解决问题的工具，学习相关的科学的思考方法，培育主体性地立足于信息社会的能力和态度。内容包括：计算机和信息通信网络、问题解决和计算机应用、信息管理和问题解决、信息技术的发展和信息道德。,华南师范大学 认知与教学团队,23,国外“普通学科”信息技术教育课程,计算机和信息通信网络计算机和信息加工信息通信网络的组成信息系统的工作原理和提供的服务问题解决和计算机应用问题解决的基本思考方法问题解决和加工过程的自动化（学习采用算法表征问题解法的方法，理解基于计算机加工过程的自动执行的可用性)数学建模和仿真,华南师范大学 认知与教学团队,24,国外“普通学科”信息技术教育课程,信息管理和问题解决信息通信网络和问题解决信息储存、管理和数据库问题解决的评价和改良（对问题解决过程和结果进行评价改良的意义和重要性的理解）信息技术的发展和信息道德社会的信息化和人类信息社会的安全和信息技术信息社会的发展和信息技术,华南师范大学 认知与教学团队,25,国内外教育内容比较的结果,国外，没有明确规定以“信息素养”培养为目标，但从内容上看，明显的带有信息素养培养的特征、又表现出向专业化发展强烈诉求。国内，明确地以“信息素养”培养为目标，但从内容上看，明显地超越了“素养”基线，以信息科学、计算机科学与网络技术等高等教育中相关学科基础知识为核心，带有明显的专业化倾向性。,华南师范大学 认知与教学团队,26,国内外教育内容比较的结果,在教学方法上：国外，强调“学以致用”国内，强调“知识获得”国内外都存在的问题是：对新知识激增应加强应对措施；对新知识的核心内容缺乏系统化的界定和提出相对应教学方法。,华南师范大学 认知与教学团队,27,国内外信息技术教育方法比较,28,国外“教学指导计划作成上应考虑事项”：在初中基础上，信息学科的教学强调所学内容应该能够为其他学科或活动的学习提供支持（起作用），期待与其他学科学习进行整合（连协）。积极地将计算机和网络技术等应用于其他学科，并开展实习（实践）活动。（在其他学科中实际应用信息技术学科学习成果）。与相关学科（公民科、数学科）协调，整合信息技术学科与这两个学科教学目标。国内“教学建议”：课堂是信息技术课程实施和学生信息素养发展的主阵地，也是展现教师个人才华的重要舞台。（对学科目标、作用、地位谈及甚少；学科本质把握不足）,我国初高中信息技术教育内容面临的问题与挑战,教学内容上没有很好地协调、衔接初中、高中相同知识和内容，在某些知识方面，课程设计缺乏系统性比如初中的“第8课工作表中的计算”与高中的 第4章 数据表处理 第一节 Excel的基本操作 一、认识Excel窗口 二、输入数据 三、认定单元格的对齐方式 四、修改工作表的名称 五、关闭工作薄 第二节,华南师范大学 认知与教学团队,29,数值运算一、用公式计算二、用函数计算第三节编辑工作表一、增删整行整列二、增删工作表三、修饰表格四、筛选数据五、数据排序,问题出在哪里？初中、高中教材编写者之间没有协调根本的问题是课程标准没有制定严格的规定、方针。课程计划缺乏系统化。如何改善？课程系统化设计的思路是什么？模仿其他学科课程标准，如物理学。根据科学教育目标，相同的知识内容，初中：“定性描述”，高中：“定量计算”。,华南师范大学 认知与教学团队,30,我国初高中信息技术教育内容面临的问题与挑战,我国初高中ICT素养教育课程系统设计思路初高中信息技术目标：ICT素养教育初中ICT教育目标定位在：定性地描述会利用工作表对数据进行筛选、排序高中ICT教育目标定位在：定量地计算及其理解该种计算的算法和思想。会利用递归、分治算法设计实现数据的筛选和排序，并能够利用这一思想方法解决其他问题。,华南师范大学 认知与教学团队,31,我国初高中信息技术教育内容面临的问题与挑战,国外近年来信息技术相关课程发展,2008年，国际经合组织（OECD）发布了“新世纪的学习者（New Millennium Learners:NML）”报告，引发了世界各国新的一轮教育课程改革。承载着知识和信息的高度社会化重任的21世纪学生，需要掌握适应这一社会的三种关键能力灵活运用ICT的技能；为学习而掌握ICT技能；21世纪技能。,华南师范大学 认知与教学团队 综合实践活动教师培训,32,国外近年来信息技术相关课程发展,2007年，美国国际教育技术协会（ISTE）推出了“教育技术国际标准”，国际技术和工程教育协会（ITEEA）也推出了“技术素养标准”；2014年，北美的教育部主管的国家教育统计中心（NCES）也在原2010年提出的“技术素养框架/评价基础上发表了改订版的“技术与工程素养框架”；2011年，联合国教科文组织（UNESCO）也提出了“教师能力框架”，作为教育者ICT活用资质能力的世界标准，得到广泛的采纳和普及。,华南师范大学 认知与教学团队 综合实践活动教师培训,33,国外近年来信息技术相关课程发展,这些ICT教育应用和ICT教育标准基准和框架模型，使得我们强烈感受到21世纪技能、特别是信息素养育成、ICT素养课程改革必要性和紧迫感。欧洲各国的动向从2005年至2014年连续召开了7次关于“中学信息学演变与前景”的国际会议。讨论在高中阶段教授的信息学课程与教学（Informatics）如何发展。,华南师范大学 认知与教学团队 综合实践活动教师培训,34,国外近年来信息技术相关课程发展,独立学科的信息学课程涉及到的内容：计算机和程序算法专业领域，包括有关：计算机工作原理和算法构成的规则；硬件、软件、应用软件、信息与信息技术对社会的影响等。所教授的教学内容包括：计算机构造、信息系统、网络、数字化表示和信息可视化、数据结构（数据库和搜索）、建模和仿真、计算思维和编程、抽象和自动化、信息技术局限、信息技术对社会的影响等。,华南师范大学 认知与教学团队 综合实践活动教师培训,35,国外近年来信息技术相关课程发展,在北美，从2016年秋季入学期开始，在高中设置了可以取得未来升入大学学习后的学分认证的计算机科学原理预修课程同时，配合考核或评价，不仅仅有与其他学科一样地纸笔测验，还有一些学习中的作品和实操内容。纸笔测验中测量内容包括：创造性、抽象、数据和信息、算法、编程、网络，信息技术对世界的影响；实操评价内容包括：关系计算（Connecting computing）、创建计算组件（Creating computational artifacts）、抽象（Abstracting）、分析问题和组件（Analyzing problems and artifacts）、交互(Communicating)、协作（Collaborating）。但此前的计算机科学课程内容只有java编程。学校设置了计算科学原理预修课后，从过去的编程教学改变成了为21世纪技能和计算思维培养的教学，并作为一个独立学科开设,华南师范大学 认知与教学团队 综合实践活动教师培训,36,国外近年来信息技术相关课程发展,在加拿大安大略省的高中,从2008年设置了独立的“计算机研究”学科，提供5领域的内容：计算机研究课程介绍、计算机科学概论、计算机编程概述、计算机科学、计算机编程；并从2009年开始，在初中和高中开设了通信技术（Communications Technology）、计算机技术（Computer Technology）、工艺设计（Technological Design）等科目。,华南师范大学 认知与教学团队 综合实践活动教师培训,37,国外近年来信息技术相关课程发展,在英国，2014年在义务教育阶段（小学和初中）设置了计算学科（Computing）。并且，与这一学科相对应的，在相当于义务教育毕业考试的“普通中等教育认证”中引进了计算机科学。在计算学科教学中，包括：算法（Algorithms）,编程和开发（Programming and Development），数据、数据表示硬件、数据处理（Data，Data Representation Hardware and Processing）,通信与网络（Communication and Networks）,信息技术（Information Technology）等。学习这些内容之际，抽象、分解、算法思维、评价、形式化，这些与计算思维有关的技能是教授重点。,华南师范大学 认知与教学团队 综合实践活动教师培训,38,国外近年来信息技术相关课程发展,在南非，从2005年开始，在高中开设了独立学科计算机应用技术和信息技术。在2011年的计算机应用技术课程中重点教授用户使用应用软件；在信息技术中，重点教授算法和问题解决、应用问题开发、软件工程基础有关能力培养内容。,华南师范大学 认知与教学团队 综合实践活动教师培训,39,国外近年来信息技术相关课程发展,在以色列，从1970年开始在高中教授计算机编程，从1995年开始，有意识地将信息学设置成独立的计算机科学学科，并设定了6个领域。该课程的特色是，面向普通学习者的课程中有3个学科可以选择，对想要升入大学后从事计算机科学学习的人，可以从5个学科中选择专业课程。对选择了专业课程的学生，在高中阶段，要学习两种不同范式的编程内容。具体的内容如下。,华南师范大学 认知与教学团队 综合实践活动教师培训,40,国外近年来信息技术相关课程发展,在范式l中，作为基本的计算机科学思想方法的内容是：问题解决，算法思维、采用算法计算出问题的解等。在范式2中，主要内容是：递归和矩阵计算等，与计算机科学有关的应用内容是重点。“应用软件”是普通课程中学生选学的内容，比如，计算机图形和信息系统管理等内容。第二个范式是专业选择科目。这些科目内容包括：逻辑程序、汇编语言、计算机结构、信息系统、图形学内容；在软件设计中，学习内容包括：抽象数据类型和数据结构。在理论上，要学习计算可能模型和数值解析等领域内容,华南师范大学 认知与教学团队 综合实践活动教师培训,41,国外近年来信息技术相关课程发展,在亚洲的韩国，信息技术教育的发展具有与中国相似历程。1997年韩国教育部在改定的第七次教育课程中，为了适应计算机向社会各领域的渗透，将计算机技能作为信息社会必要的素养设定为学校教育目标之一，其特征是重视对生活和工作有作用的应用软件的应用，重视实际操作教育。,华南师范大学 认知与教学团队 综合实践活动教师培训,42,国外近年来信息技术相关课程发展,在韩国，到了2007年，随着计算机的全面普及和在学校内外的普遍应用，作为学科的计算机技能教育的意义变得稀薄了；于是，在2005年发布的初高中ICT教育指导方针中显示，信息科学的概念和原理的学习占据了信息技术教育的中心位置，并反映在2007年改定的选择学科的教育课程当中，在这一改订大纲中，应用软件的学习内容消失了，转而采用信息科学的专业领域和问题解决为基础内容。,华南师范大学 认知与教学团队 综合实践活动教师培训,43,国外近年来信息技术相关课程发展,上述1997年的改订中，取消了的计算机编程内容再次出现在“问题解决和程序”这一领域。在中学采用教育用程序语言（Educational Programming Language,EPL）开展计算机编程教育和学习。在初中，教科书中也出现了Scratch、Visual Basic等相关内容。在高中，教科书中出现了结构化编程、面向对象的程序设计语言等内容。作为信息科学的学习方法，利用卡片等工具开展游戏化学习，如通过“不插电的计算机科学（Computer Science Unplugged）”的思想方法，或开发自主地学习信息科学的方法来学习计算机科学,华南师范大学 认知与教学团队 综合实践活动教师培训,44,国外近年来信息技术相关课程发展,2011年以后，课程改定的目标增加了“计算思维”课程，并重视信息的伦理道德。韩国教育部门逐渐认识到“计算思维是每个人的基本技能，不仅仅属于计算机科学家”的重要性，于是，从初中至高中开设了该课程。作为该课程的学习方法，还是着重在学生日常生活和学习中选择学习素材，让学生增加切身感受和该课程对实际生活有用的意识。如在初中的信息科学的教科书“计算机编程基础”中，就有探索自动贩卖机中程序运行的问题。,华南师范大学 认知与教学团队 综合实践活动教师培训,45,计算思维：ICT素养教育的新目标,2006年3月，曾担任美国卡内基梅隆大学(CMU)计算机科学系主任、现任微软全球资深副总裁的周以真（Jeannette M.Wing）教授，在美国计算机权威刊物上发表论文第一次提出了“计算思维”的概念；她认为：计算思维不仅仅属于计算机学家，也应该是我们每个人都应具备的基本技能。与掌握“读写算（Reading,wRiting,and aRithmetic3R）”一样，在这个时代还要学会计算思维。,华南师范大学 认知与教学团队 综合实践活动教师培训,46,日常生活中的计算思维的例子,你可以试着向家长和同学们了解一下，计算机科学是什么？计算机是编写程序，计算等，但实际上，与我们通常的印象相反，计算机的优势完全不是我们想象的那样刻板，它最重要的是：计算机技术不只是编程，不过在我们国内甚至国外很多高中课程让我们留下了这种刻板影响。其实，程序设计只是一个工具，计算机科学家和工程师，越来越多的教育工作者，计算机教师，其他学科的研究者，都有计算机和计算机科学中的思想来解决他们所遇到的专业领域的问题，这之中程序设计只是达到目的的一种手段而已，比如，用电话薄来举个例子。,华南师范大学 认知与教学团队 综合实践活动教师培训,47,华南师范大学 认知与教学团队,48,如何在黄页中最有效率地找到你的地址,只代表某个人可以解决某个问题，电话薄里面根本没有数字，而是现实中某些人和某些事件，以大量数据形式储存起来；在数千页中有一位迈克(Mike Smith)的人；要想找到这个人，需要在上千页中从第一页开始翻找，这样肯定能够找到众多的Mike Smith 中的想找的哪一个。第一页肯定没有，因为第一页是A;于是我接着往下找，B,C,D,E,F,.；最后找到S但最坏的情况是，我找了几千页才找到M页。实际上人们都很聪明，不是从第一页找起，而是直接找到大致的位置；看一下大概是L;所以我们直观判断，Mike不会在前面这一部分，因为字母L在M之前，这时，我们可以将问题分为2半，2部分，把电话薄撕成2半。,华南师范大学 认知与教学团队,49,如何在黄页中最有效率地找到你的地址,这样一来，问题就简化了一半，我们只要看一半，就能解决问题；接下来，我们怎样才能使我们更接近Mike，让问题解决更向目标接近一步？直接翻到剩下的一半的中间，P看到P我们快要找到了再撕掉一半撕掉后，问题又变得简化了一半下一步再撕掉一半这样一遍一遍地重复下去，从1000到500，再到250，再到125；依此分化下去，这样撕了几次后，我们就可以找到Mike Smith。,华南师范大学 认知与教学团队,50,如何在黄页中最有效率地找到你的地址,从计算机科学角度说，我们称为算法和程序，这个程序是对数级的；你可能还会依稀记得高中学过的对数，这就给了我们的计算机科学家一些启示，即这种算法更智能、更迅速；因此，正确认识这个问题，假如不是1000页，而是在网络空间中搜索，其中包含100万甚至包含40亿网页，或更多，你要撕多少次呢？才能找到你需要的人？需要32次，数学算法是无穷的；这就是科学家们所谓的计算思维。你可以把一个问题用比较直观方法解决；但如果你把这类问题的数量增大，比如网页，如大数据中出现的问题，你就会考虑如何解决这些问题更简便，怎样才能更高效，你就会想方设法找到高效解决问题的途径，,华南师范大学 认知与教学团队,51,如何计算今天教室中出席的人数？,再举个游戏的例子。教室中有一大堆学生，我们可以1，2，3，4，但如果是2,4,6，这样就将问题简化为一半了；但我们有更聪明的算法。二分查找/遍历算法：每个人想着自己是1；需要与你站着的下一个人结成对子，把你的数字相加；其中一人坐下，其他的人接着上面的人继续相加，计算这些数字的和，以此重复。最后将有一个人站着；这仅仅是计算科学为解决问题提供的一种思路一种思维方式的启示，这种方式不仅仅为解决计算机科学本身问题，也同样可以解决其他学科问题。,华南师范大学 认知与教学团队,52,二分查找/遍历算法,大家起立想你自己：我是1找另外一个人将他/她的数字和自己的数字相加，作为两个人共有的数字；你们中的一个坐下；另一个人则重复第三步思想：从另一个角度解决这个问题：不变的是总是重复同一操作，变化的是：参与运算的数据减半。,华南师范大学 认知与教学团队,53,算法,F(n)=F(n-1)+1 1.依据上述公式，将n替换为n-1，得 F(n-1)=F(n-1-1)+1=F(n-2)+1,2.带入第一条公式，得F(n)=F(n-2)+1+1=F(n-2)+2.3.以此类推:F(n)=F(n-1)+1=F(n-2)+2=,得F(n)=F(0)+n=n(其中F(0)=0),华南师范大学 认知与教学团队,54,什么是计算思维,计算思维：是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为的涵盖了计算机科学之广度的一系列思维活动。（周以真J.M.Wing,2006）计算思维涵义1.求解问题中的计算思维首先，要把真实问题转化为数学问题。如偏微分方程、离散为代数方程（抽象）；建立模型、设计算法和编程实现（自动化），最后在计算机上运行并求解。,华南师范大学 认知与教学团队,55,计算思维涵义,2.设计系统中的计算思维（R.Karp）自然和社会系统在演化中的信息交换可以映射为符号变换，使之能够用计算机实现离散的符号处理；当系统抽象为离散的符号系统后，就可以用形式化的规范来描述；建立模型、设计算法、开发软件来揭示演化的规律；实时控制系统的演化并自动执行。,华南师范大学 认知与教学团队,56,计算思维涵义,3.理解人类行为中的计算思维计算思维是一种计算逻辑，特点是定量和可计算的；是人类建立人工世界的一种重要的认知活动；利用计算手段来研究人类行为，称为社会计算，它是研究人们交互方式、社会群体形态及其演化规律等问题。,华南师范大学 认知与教学团队,57,计算思维内容,计算思维内容（周以真，2006）：通过简约、嵌入、转化、仿真等方法，把一个看来困难的问题重新阐释为一个人们已知其解决方案的问题；计算思维是一种递归思维，是一种并行处理，既能把代码译成数据又能把数据译成代码，是一种多维分析推广的类型检查方法；计算思维是一种采用抽象和分解来控制庞杂的任务或进行巨大、复杂系统设计的方法，是一种基于关注点分离的方法；,华南师范大学 认知与教学团队,58,计算思维内容,计算思维内容（周以真，2006）：计算思维是一种选择合适的方式去陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模并使其易于处理的思维方法；计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错和纠错方式，从最坏的情况进行系统恢复的一种思维方法；计算思维是一种利用启发式推理寻求解答，也即在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法；计算思维是利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间、在处理能力和存储容量之间进行折中的思维方法。,华南师范大学 认知与教学团队,59,思维是一种计算，是计算机科学意义上的计算,卡普（R.Karp）的计算思维观点：在自然的、工程的和社会的系统中，很多过程都是自然计算的，它执行信息的变换，计算作为一种通用的思维方式。通过具体例子了解计算思维,华南师范大学 认知与教学团队,60,思维是一种计算，是计算机科学意义上的计算,关注点分离(Separation o f Concerns,SoC)是解决复杂问题的一种系统思维方法。其思路是：先将复杂问题做合理的分解,再分别仔细研究问题的不同侧面(关注点),最后综合各方面的结果,合成整体的解决方案。在软件工程中也称为“分而治之(Divide-and-Conquer)”，即将整体看成为部分的组合体并对各部分分别加以处理。模块化是其中最有代表性的具体设计原则之一。关注点分离作为原则在软件设计、开发、管理、开发方法学方面都有所体现。关注点的高级分离、多维关注点分离是新的软件开发范式。,华南师范大学 认知与教学团队,61,思维是一种计算，是计算机科学意义上的计算,Parnas（1972）年在文献中提出模块划分的基本原则,即通过信息隐藏降低模块之间的耦合,从而降低系统的复杂性。“高内聚、低耦合、信息隐藏”已成为软件设计的十字真经。Jackson（1975）提出通过自顶向下的功能分解设计程序的结构化方法。,华南师范大学 认知与教学团队,62,关注点分离的一般模式,对一个典型的复杂问题P,通过关注点分离解决问题的基本思路可一般地描述为以下3 个步骤:1)先将待解问题P 分解为不同的关注点P 1,P2,Pn,即:P y D(P 1,P2,Pn),D 表示问题分解策略,即关注点分离方法;2)对P 1,P2,Pn 分别考虑,求得各自的解S1,S2,S n;3)通过对S1,S 2,Sn 的合成,求得问题P 的解S 即:C(S1,S 2,Sn)y S,C 表示解的合成方法。对复杂问题可能需要多层次多维度的分解。自顶向下逐步分解求精的软件设计方法以及螺旋递增的软件开发过程都是例证。,63,何明昕.面向问题的系统化程序设计方法及其描述工具 J.计算机科学,1995,22(5):54-57,计算思维的本质,抽象（Abstract）完全超越了物理的时空观，完全可以用符号表示。其中，数字抽象的特点是抛开现实事物的物理、化学和生物学等特征，仅保留其量的关系和空间的形式。而计算思维中的抽象却不仅如此。如，堆栈、算法（递归、迭代、分离、并列、启发式）自动化（Automation）选择合适的抽象、合适的计算机去解释、执行该抽象，就是自动化。如，堆，顺序随意；栈，后进先出(Last-In/First-Out)。,华南师范大学 认知与教学团队,64,计算思维的本质,控制复杂性根据不同的抽象层次，进而有选择地忽视某些细节。将注意力集中在感兴趣的抽象层次上，或其上下层。还应当了解各抽象层次之间的关系。抽象最终能够机械地一步一步自动执行进行严格的符号标记和建模,华南师范大学 认知与教学团队,65,计算思维教什么？如何教？,1.计算思维素养的构造2.教学目标/“标准”及内容3.小中高如何设置编订课程？,计算思维的构造,标准框架计算思维技能（CT Skill）计算思维性情（CT Disposition；倾向性/情感和态度）计算思维知识（CT Vocabulary）,华南师范大学 认知与教学团队 综合实践活动教师培训,67,技能(skill)：CT技能是在CT活动运用并得以解决问题一系列步骤和方法及思想。性情（Disposition，倾向性/情感和态度）：这些倾向性可以帮助教师和学生认识到和称为一个计算思维专家的态度。词汇（Vocabulary，知识/概念）：要求教师与学生掌握一些概念,让学生可以认识词汇和推广转化到其他项目和类中使用。,计算思维技能,计算思维的操作性定义美国的国际教育技术协会（ISTE）与计算机科学教师协会（CSTA），联合高等教育、企业、K-12（中小学）教育中的领导者共同协作，开发出了一个关于计算思维的操作性定义（标准）：“计算思维是一个问题解决过程”。包括（但不局限于）以下各种技能：以某种方式阐述问题，并且使我们能够利用计算机和其它工具解决它们。合理地组织和分析数据。,华南师范大学 认知与教学团队 综合实践活动教师培训,69,计算思维的技能,通过一些抽象方法（如模型、模拟）来呈现数据。通过算法思想（一系列有序的步骤），制定出自动化的解决方案。识别、分析、实施可能的解决方案，旨在达到步骤与资源的最有效的整合。将这种问题解决过程推广迁移到各式各样的问题。,华南师范大学 认知与教学团队 综合实践活动教师培训,70,计算思维的情感和态度,这些技能的提高，需要一些性格和态度的支持。这些性格和态度对培养计算思维是必不可少的，它们包括（标准）：解决复杂问题的信心。面对困难时的坚持。对于歧义（模棱两可）的容忍。解决开放式问题的能力。为了达到共同的目标或解决方案，与他人沟通协作的能力。,华南师范大学 认知与教学团队 综合实践活动教师培训,71,