Výpočtové myšlení - Computational thinking

Ve vzdělání, výpočetní myšlení (CT) je sada řešení problému metody, které zahrnují vyjádření problémů a jejich řešení způsoby, které by mohl provádět i počítač.[1] Zahrnuje mentální dovednosti a postupy pro navrhování výpočtů, které přinutí počítače dělat práci lidem, a vysvětluje a interpretuje svět jako komplex informačních procesů.[2] Tyto nápady sahají od základní CT pro začátečníky na pokročilé CT pro odborníkya CT zahrnuje obojí CT v malém (týkající se toho, jak navrhovat malé programy a algoritmy jednotlivými lidmi) a CT ve velkém (souvisí s tím, jak navrhovat programy pro více verzí skládající se z milionů řádků kódu napsaných týmovým úsilím, portovaných na četné platformy a kompatibilních s řadou různých systémových nastavení).[2]

Dějiny

Historie výpočetního myšlení sahá přinejmenším do 50. let 20. století, ale většina myšlenek je mnohem starší.[3][2] Výpočtové myšlení zahrnuje myšlenky jako abstrakce, reprezentace dat a logická organizace dat, které také převládají v jiných druzích myšlení, jako je vědecké myšlení, technické myšlení, systémové myšlení, designové myšlení, modelové myšlení a podobně.[4] Myšlenka ani termín nejsou aktuální: předcházejí je pojmy jako algoritmizace, procedurální myšlení, algoritmické myšlení a výpočetní gramotnost[2] výpočtem průkopníků jako Alan Perlis a Donald Knuth, termín výpočetní myšlení byl poprvé použit Seymour Papert v roce 1980[5] a znovu v roce 1996.[6] Na výpočetní myšlení lze zvyknout algoritmicky řeší složité problémy z rozsahu a často se používá k realizaci velkých zlepšení efektivity.[7]

Fráze výpočetní myšlení byl v roce 2006 uveden do popředí vzdělávací komunity ve výpočetní technice v důsledku a Komunikace ACM esej na toto téma Jeannette Wing. Esej navrhla, že počítačové myšlení bylo základní dovedností pro každého, nejen pro počítačové vědce, a zdůraznila důležitost integrace výpočetních myšlenek do jiných předmětů ve škole.[8] V eseji se také uvádí, že když se děti naučí výpočetní myšlení, budou v mnoha každodenních úkolech lepší - například v eseji bylo možné zabalit batoh, najít ztracené rukavice a vědět, kdy místo toho přestat pronajímat a kupovat. Kontinuita otázek výpočetního myšlení ve vzdělávání sahá od výpočtů K – 9 pro děti až po profesionální a další vzdělávání, kde je výzvou, jak mezi odborníky komunikovat hluboké principy, maxima a způsoby myšlení.[2]

Vlastnosti

Vlastnosti, které definují výpočetní myšlení, jsou rozklad, rozpoznávání vzorů / reprezentace dat, zobecnění /abstrakce, a algoritmy.[9][10] Rozložením problému, identifikací použitých proměnných pomocí reprezentace dat a vytvořením algoritmů dojde k obecnému řešení. Obecným řešením je zobecnění nebo abstrakce, které lze použít k řešení mnoha variant počátečního problému.

Proces výpočtu „tři jako“ popisuje výpočetní myšlení jako soubor tří kroků: abstrakce, automatizace a analýza.

Další charakteristikou výpočetního myšlení je iterativní proces „tři jako“ založený na třech fázích:

  1. Abstrakce: Formulace problému;
  2. Automatizace: Výraz řešení;
  3. Analýzy: Provedení a vyhodnocení řešení.[Citace je zapotřebí ]

Připojení k „čtyřem C“

Čtyři C učení 21. století jsou komunikace, kritické myšlení, spolupráce a kreativita. Pátým C by mohlo být výpočetní myšlení, které zahrnuje schopnost řešit problémy algoritmicky a logicky. Zahrnuje nástroje, které vytvářejí modely a vizualizují data.[11] Grover popisuje, jak je výpočetní myšlení použitelné napříč předměty mimo vědu, technologii, strojírenství a matematiku (STEM), které zahrnují sociální vědy a jazykové umění. Studenti se mohou zapojit do aktivit, kde identifikují vzorce v gramatice i struktuře vět a používají modely pro studium vztahů.[11]

Od svého vzniku si 4 Cs postupně získaly uznání jako zásadní prvky mnoha školních osnov. Tento vývoj spustil modifikaci platforem a směrů, jako je poptávka, projektové a hlubší učení na všech úrovních K – 12. Mnoho zemí zavedlo počítačové myšlení všem studentům. Spojené království má CT ve svých národních osnovách od roku 2012. Singapur nazývá CT jako „národní schopnosti“. Jiné národy, jako je Austrálie, Čína, Korea a Nový Zéland, se pustily do masivního úsilí o zavedení výpočetního myšlení do škol.[12] Ve Spojených státech vytvořil prezident Barack Obama tento program Počítačová věda pro všechny, aby této generaci studentů v Americe umožnil náležité znalosti počítačové vědy potřebné k rozkvětu v digitální ekonomice.[13] Výpočtové myšlení znamená myšlení nebo řešení problémů, jako jsou počítačoví vědci. CT označuje myšlenkové procesy vyžadované při porozumění problémům a formulaci řešení. CT zahrnuje logiku, hodnocení, vzorce, automatizaci a zobecnění. Kariérní připravenost může být integrována do učebních a výukových prostředí několika způsoby.[14]

Ve vzdělávání K – 12

Podobný Seymour Papert, Alan Perlis, a Marvin Minsky před, Jeannette Wing předpokládalo, že výpočetní myšlení se stane podstatnou součástí vzdělávání každého dítěte.[8] Integrace výpočetního myšlení do kurikula K – 12 a počítačové vzdělávání čelila několika výzvám, včetně dohody o definici výpočetního myšlení,[15][16] jak v něm posoudit vývoj dětí,[4] a jak jej odlišit od jiných podobných „myšlení“, jako je systémové myšlení, designové myšlení a technické myšlení.[4] V současné době je výpočetní myšlení obecně definováno jako soubor kognitivních dovedností a procesů řešení problémů, které zahrnují (ale nejsou na ně omezeny) následující charakteristiky[16][17] (ale existují argumenty, že jen málo z nich, pokud vůbec nějaké, patří konkrétně k výpočetní technice, místo aby byly principy v mnoha oblastech vědy a techniky[2])

  • Použití abstrakcí a rozpoznávání vzorů k reprezentaci problému novými a různými způsoby
  • Logické uspořádání a analýza dat
  • Rozdělení problému na menší části
  • Přibližování se k problému pomocí technik programatického myšlení, jako je iterace, symbolická reprezentace a logické operace
  • Přeformulování problému do řady uspořádaných kroků (algoritmické myšlení)
  • Identifikace, analýza a implementace možných řešení s cílem dosáhnout nejefektivnější a nejefektivnější kombinace kroků a zdrojů
  • Zobecnění tohoto procesu řešení problémů na širokou škálu problémů

Současná integrace výpočetního myšlení do kurikula K – 12 má dvě formy: na hodinách informatiky přímo nebo prostřednictvím použití a míry technik výpočetního myšlení v jiných předmětech. Učitelé přírodovědných, technických, technických a matematických oborů (ZASTAVIT ) zaměřené učebny, které zahrnují výpočetní myšlení, umožňují studentům procvičovat si řešení problému dovednosti jako pokus omyl.[18] Valerie Barr a Chris Stephenson v článku ACM Inroads z roku 2011 popisují výpočetní vzorce myšlení napříč obory[15] nicméně Conrad Wolfram tvrdí, že výpočetní myšlení by mělo být vyučováno jako samostatný předmět.[19]

Existují online instituce, které poskytují učební plán a další související zdroje k budování a posilování studentů předškolního věku pomocí výpočetního myšlení, analýzy a řešení problémů.

Centrum pro výpočetní myšlení

Univerzita Carnegie Mellon v Pittsburgh má Centrum pro výpočetní myšlení. Hlavní činností centra je provádění PROBE nebo PROBlem-orientovaných průzkumů. Tyto PROBE jsou experimenty, které používají nové výpočetní koncepty na problémy, aby ukázaly hodnotu výpočetního myšlení. Experiment sonda je obecně spolupráce mezi počítačovým vědcem a odborníkem v oboru, který má být studován. Experiment obvykle trvá rok. PROBE se obecně bude snažit najít řešení pro široce použitelný problém a vyhnout se problémům s úzkým zaměřením. Některé příklady experimentů PROBE jsou optimální logistika transplantace ledvin a jak vytvořit léky, které nešíří viry rezistentní na léky.[20]

Kritika

Koncept počítačového myšlení byl kritizován jako příliš vágní, protože jen zřídka je jasné, jak se liší od jiných forem myšlení.[3][21] Příklon mezi počítačovými vědci vnutit výpočetní řešení do jiných oborů se nazývá „výpočetní šovinismus“.[22] Někteří vědci v oboru výpočetní techniky se obávají podpory počítačového myšlení jako náhrady za širší vzdělávání v oblasti výpočetní techniky, protože výpočetní myšlení představuje jen jednu malou část oboru.[23][4] Jiní se obávají, že důraz na výpočetní myšlení povzbuzuje počítačové vědce, aby příliš úzce uvažovali o problémech, které mohou vyřešit, čímž se vyhnou sociálním, etickým a environmentálním dopadům technologie, kterou vytvářejí.[24][3]

Dokument z roku 2019 tvrdí, že termín „výpočetní myšlení“ (CT) by měl být používán hlavně jako zkratka k vyjádření vzdělávací hodnoty počítačové vědy, a tudíž nutnosti její výuky ve škole.[25] Strategickým cílem je dosáhnout toho, aby byla informatika ve škole uznána jako samostatný vědecký předmět více než snaha identifikovat „soubor znalostí“ nebo „metody hodnocení“ pro CT. Obzvláště důležité je zdůraznit skutečnost, že vědeckou novinkou spojenou s CT je přechod od „řešení problému“ matematiky k „řešení problému“ informatiky. Bez „účinného agenta“, který automaticky provádí pokyny obdržené k vyřešení problému, by neexistovala žádná informatika, ale jen matematika. Další kritika téhož článku uvádí, že zaměření na „řešení problémů“ je příliš úzké, protože „řešení problému je pouze příkladem situace, kdy člověk chce dosáhnout stanoveného cíle“. Článek proto zevšeobecňuje původní definice Cuny, Snydera a Winga[26] a Aho[27] takto: „Výpočtové myšlení je myšlenkové procesy zapojené do modelování situace a specifikování způsobů, jakými může agent zpracování informací v rámci ní efektivně pracovat, aby dosáhl externě specifikovaného (stanovených) cíle.“

Viz také

Reference

  1. ^ Wing, Jeannette (2014). "Společnost pro výpočetní myšlení". 40. výročí blog sociálních problémů ve výpočetní technice.
  2. ^ A b C d E F Denning, P. J. a Tedre, M. Computational Thinking. MIT Press, 2019.
  3. ^ A b C Tedre, Matti; Denning, Peter (2016). „The Long Quest for Computational Thinking“ (PDF). Sborník 16. konference Koli Calling o výzkumu počítačového vzdělávání.
  4. ^ A b C d Denning, Peter J .; Tedre, Matti (2019). Výpočtové myšlení. Cambridge. ISBN  9780262353410. OCLC  1082364202.
  5. ^ Papert, Seymour. Mindstorms: Děti, počítače a silné nápady. Basic Books, Inc., 1980.
  6. ^ Papert, Seymour (1996). „Průzkum v prostoru výuky matematiky“. International Journal of Computers for Mathematical Learning. 1. doi:10.1007 / BF00191473.
  7. ^ Výpočetní myšlení:
  8. ^ A b Wing, Jeanette M. (2006). "Výpočetní myšlení" (PDF). Komunikace ACM. 49 (3): 33. doi:10.1145/1118178.1118215.
  9. ^ "Úvod do výpočetního myšlení". BBC Bitesize. Citováno 25. listopadu 2015.
  10. ^ „Exploring Computational Thinking“. Google pro vzdělávání. Citováno 25. listopadu 2015.
  11. ^ A b Grover, Shuchi (25. února 2018). „5.„ C “dovedností 21. století? Zkuste výpočetní myšlení (ne kódování)“. EdSurge. Citováno 25. února 2018.
  12. ^ „5.„ C “dovedností 21. století? Zkuste výpočetní myšlení (ne kódování) - EdSurge News“. EdSurge. 2. února 2018. Citováno 11. června 2018.
  13. ^ "CSforALL". csforall.org. Citováno 11. června 2018.
  14. ^ „Budoucnost: Jak začlenit 5.„ C “učení 21. století“. Zprávy eSchool. 2. října 2017. Citováno 11. června 2018.
  15. ^ A b Barr, Valerie; Stephenson, Chris (2011). „Přinášíme výpočetní myšlení do K – 12: o co se jedná a jakou roli hraje komunita výuky informatiky?“. ACM nájezdy. 2. doi:10.1145/1929887.1929905.
  16. ^ A b Grover, Shuchi; Pea, Roy (2013). „Výpočetní myšlení v K – 12 Přehled stavu pole“. Výzkumný pracovník. 42. doi:10.3102 / 0013189x12463051.
  17. ^ Stephenson, Chris; Valerie Barr (květen 2011). "Definování výpočetního myšlení pro K – 12". Hlas CSTA. 7 (2): 3–4. ISSN  1555-2128. CT je proces řešení problémů ...
  18. ^ Barr, David; Harrison, John; Leslie, Conery (1. března 2011). „Výpočetní myšlení: dovednost digitálního věku pro každého“. Učení a vedení s technologií. 38 (6): 20–23. ISSN  0278-9175.
  19. ^ Wolfram, Conrad. „Výpočetní myšlení je kódem úspěchu“. The Times Educational Supplement.
  20. ^ „Experimenty sond“. www.cs.cmu.edu.
  21. ^ Jones, Elizabeth. „Potíž s výpočetním myšlením“ (PDF). ACM. Citováno 30. listopadu 2016.
  22. ^ Denning, Peter J .; Tedre, Matti; Yongpradit, Pat (2. února 2017). "Mylné představy o počítačové vědě". Komunikace ACM. 60 (3): 31–33. doi:10.1145/3041047.
  23. ^ Denning, Peter J. (1. června 2009). "Mimo výpočetní myšlení". Komunikace ACM. 52 (6): 28. doi:10.1145/1516046.1516054. hdl:10945/35494.
  24. ^ Easterbrook, Steve (2014). „Od výpočetního myšlení k systémovému myšlení: Koncepční sada nástrojů pro výpočet udržitelnosti“. Sborník z 2. mezinárodní konference ICT pro udržitelnost. doi:10.2991 / ict4s-14.2014.28. ISBN  978-94-62520-22-6.
  25. ^ Nardelli, Enrico (únor 2019). „Opravdu potřebujeme výpočetní myšlení?“. Komunikace ACM. 62 (2): 32–35. doi:10.1145/3231587.
  26. ^ Wing, Jeannette M. (březen 2011). „Research Notebook: Computational Thinking - What and Why?“. Odkaz. The Magazine of Carnegie Mellon University's School of Computer Science. Carnegie Mellon University, School of Computer Science. Citováno 1. března 2019.
  27. ^ Aho, Alfred V. (leden 2011). "Výpočet a výpočetní myšlení". Všudypřítomnost. 2011 (Leden). doi:10.1145/1922681.1922682.

Další čtení