stringtranslate.com

Вычислительное мышление

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

История

История вычислительного мышления как концепции восходит как минимум к 1950-м годам, но большинство идей гораздо 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 , проектное мышление, мышление на основе моделей и тому подобное. [7] Ни идея, ни термин не являются новыми: Предшественником таких терминов, как алгоритмизация, процедурное мышление, алгоритмическое мышление и вычислительная грамотность [3], таких пионеров вычислительной техники, как Алан Перлис и Дональд Кнут , термин вычислительное мышление впервые был использован Сеймуром Папертом в 1980 году [8] и снова в 1996 году. [9] Вычислительное мышление может использоваться для алгоритмического решения сложных масштабных задач и часто используется для реализации значительных улучшений в эффективности. [10]

Фраза вычислительное мышление была выдвинута на передний план сообщества по образованию в области компьютерных наук в 2006 году в результате эссе Communications of the ACM по этой теме, написанного Жанетт Винг . В эссе предполагалось, что вычислительное мышление является фундаментальным навыком для всех, а не только для компьютерных специалистов, и утверждалось о важности интеграции вычислительных идей в другие предметы в школе. [11] В эссе также говорилось, что, изучая вычислительное мышление, дети будут лучше справляться со многими повседневными задачами — в качестве примеров в эссе приводились упаковка рюкзака, поиск потерянных варежек и знание того, когда следует прекратить аренду и вместо этого покупать. Континуум вопросов вычислительного мышления в образовании варьируется от вычислений для детей K–9 до профессионального и непрерывного образования, где проблема заключается в том, как донести глубокие принципы, максимы и способы мышления между экспертами. [3]

В течение первых десяти лет вычислительное мышление было движением, сосредоточенным в США, и до сих пор этот ранний фокус виден в исследованиях в этой области. [12] Наиболее цитируемые статьи и наиболее цитируемые люди в этой области были активны в ранней волне вычислительного мышления в США, а наиболее активные исследовательские сети в этой области базируются в США. [12] Доминируют американские и европейские исследователи, и неясно, в какой степени преимущественно западный корпус исследовательской литературы в этой области может удовлетворить потребности студентов из других культурных групп. [12] Продолжающиеся усилия по глобализации эффективных навыков мышления в повседневной жизни возникают в сообществе Prolog , чей Комитет по образованию Prolog, спонсируемый Ассоциацией логического программирования [13], имеет миссию «сделать вычислительное и логическое мышление посредством Prolog и его преемников основным предметом в образовательных программах и за их пределами во всем мире». [14]

Характеристики

Характеристики, которые определяют вычислительное мышление, это декомпозиция , распознавание образов / представление данных , обобщение / абстракция и алгоритмы . [15] [16] Путем декомпозиции проблемы, идентификации переменных, задействованных с использованием представления данных, и создания алгоритмов, получается общее решение. Общее решение — это обобщение или абстракция, которая может быть использована для решения множества вариаций исходной проблемы.

Процесс вычислительного мышления «Три А» описывает вычислительное мышление как набор из трех этапов: абстракция, автоматизация и анализ.

Еще одной характеристикой вычислительного мышления является итеративный процесс «трех А», основанный на трех этапах:

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

Связь с «четырьмя С»

Четыре «С» обучения 21-го века — это коммуникация, критическое мышление, сотрудничество и творчество [ требуется ссылка ] . Пятым «С» может быть вычислительное мышление, которое подразумевает способность решать проблемы алгоритмически и логически. Оно включает в себя инструменты, которые создают модели и визуализируют данные. [18] Гровер описывает, как вычислительное мышление применимо к предметам за пределами науки, технологий, инженерии и математики (STEM), которые включают социальные науки и языковые искусства.

С момента своего создания 4 Cs постепенно получили признание в качестве важных элементов многих школьных программ. Это развитие вызвало изменения в платформах и направлениях, таких как исследование, проектное и более глубокое обучение на всех уровнях K–12. Многие страны ввели вычислительное мышление для всех учащихся: Соединенное Королевство включило вычислительное мышление в свою национальную учебную программу с 2012 года. Сингапур называет вычислительное мышление «национальным потенциалом». Другие страны, такие как Австралия, Китай, Корея и Новая Зеландия, предприняли масштабные усилия по внедрению вычислительного мышления в школы. [19] В Соединенных Штатах президент Барак Обама создал программу «Компьютерная наука для всех», чтобы дать новому поколению учащихся в Америке надлежащие навыки в области компьютерных наук, необходимые для процветания в цифровой экономике. [20] Вычислительное мышление означает мышление или решение проблем, как у компьютерных ученых. CT относится к мыслительным процессам, необходимым для понимания проблем и формулирования решений. CT включает логику, оценку, шаблоны, автоматизацию и обобщение. Готовность к карьере может быть интегрирована в академическую среду несколькими способами. [21]

Часть CT «algoRithms» также называют «четвертым R», где остальные — это чтение, письмо и арифметика.

В образовании K–12

Подобно Сеймуру Паперту , Алану Перлису и Марвину Мински ранее, Жанетт Уинг предполагала, что вычислительное мышление станет неотъемлемой частью образования каждого ребенка. [11] Однако интеграция вычислительного мышления в учебную программу K–12 и образование в области компьютерных наук столкнулась с рядом проблем, включая соглашение об определении вычислительного мышления, [22] [23] как оценивать развитие детей в нем, [7] и как отличать его от других похожих «мышлений», таких как системное мышление, проектное мышление и инженерное мышление. [7] В настоящее время вычислительное мышление широко определяется как набор когнитивных навыков и процессов решения проблем, которые включают (но не ограничиваются) следующими характеристиками [23] [24] (но есть аргументы, что лишь немногие из них, если таковые вообще имеются, относятся конкретно к вычислениям, а не являются принципами во многих областях науки и техники [3] [5] ):

Текущая интеграция вычислительного мышления в учебную программу K–12 осуществляется в двух формах: на уроках информатики напрямую или посредством использования и измерения методов вычислительного мышления в других предметах. Учителя в классах, ориентированных на науку, технологию, инженерию и математику ( STEM ), которые включают вычислительное мышление, позволяют учащимся практиковать навыки решения проблем, такие как пробы и ошибки . [25] Валери Барр и Крис Стивенсон описывают модели вычислительного мышления в разных дисциплинах в статье ACM Inroads 2011 года. [22] Однако Конрад Вольфрам утверждает, что вычислительное мышление следует преподавать как отдельный предмет. [26]

Существуют онлайн-учреждения, которые предоставляют учебную программу и другие сопутствующие ресурсы для развития и укрепления у учащихся предвузовских учебных заведений навыков вычислительного мышления, анализа и решения проблем.

Центр вычислительного мышления

В Университете Карнеги-Меллона в Питтсбурге есть Центр вычислительного мышления. Основная деятельность Центра заключается в проведении PROBE или PROBlem-ориентированных исследований. Эти PROBE представляют собой эксперименты, которые применяют новые вычислительные концепции к проблемам, чтобы показать ценность вычислительного мышления. Эксперимент PROBE, как правило, представляет собой сотрудничество между ученым-компьютерщиком и экспертом в изучаемой области. Эксперимент обычно длится год. В целом, PROBE стремится найти решение для широко применимой проблемы и избежать узконаправленных проблем. Некоторые примеры экспериментов PROBE включают оптимальную логистику трансплантации почек и создание лекарств, которые не порождают вирусы, устойчивые к лекарствам. [27]

Критика

Концепция вычислительного мышления подвергалась критике как слишком расплывчатая, поскольку редко разъяснялось, чем она отличается от других форм мышления. [6] [28] Склонность компьютерных ученых навязывать вычислительные решения другим областям была названа «вычислительным шовинизмом». [29] Некоторые компьютерные ученые обеспокоены продвижением вычислительного мышления как замены более широкого образования в области компьютерных наук, поскольку вычислительное мышление представляет собой лишь небольшую часть этой области. [30] [7] Другие обеспокоены тем, что акцент на вычислительном мышлении побуждает компьютерных ученых слишком узко мыслить о проблемах, которые они могут решить, тем самым избегая социальных, этических и экологических последствий создаваемой ими технологии. [31] [6] Кроме того, поскольку почти все исследования в области компьютерных наук проводятся в США и Европе, неизвестно, насколько хорошо эти образовательные идеи работают в других культурных контекстах. [12]

В статье 2019 года утверждается, что термин «вычислительное мышление» (ВМ) следует использовать в основном как сокращение для передачи образовательной ценности компьютерной науки, отсюда и необходимость преподавания ее в школе. [32] Стратегическая цель состоит в том, чтобы компьютерная наука была признана в школе как автономный научный предмет, а не в попытках определить «совокупность знаний» или «методы оценки» для ВМ. Особенно важно подчеркнуть тот факт, что научная новизна, связанная с ВМ, заключается в переходе от «решения проблем» математики к «наличию решения проблемы» компьютерной науки. Без «эффективного агента», который автоматически выполняет полученные инструкции для решения проблемы, не было бы компьютерной науки, а была бы только математика. Другое критическое замечание в той же статье заключается в том, что сосредоточение на «решении проблем» слишком узко, поскольку «решение проблемы — это всего лишь пример ситуации, в которой кто-то хочет достичь определенной цели». Таким образом, в статье обобщаются первоначальные определения Кьюни, Снайдера и Винга [33] и Ахо [1] следующим образом: «Вычислительное мышление — это мыслительные процессы, вовлеченные в моделирование ситуации и определение 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 исходит из его обещания повысить STEM-образование. И последнее движение в STEM-образовании основано на предложениях (путем изучения теорий), что мы обучаем студентов привычкам мышления экспертов. Таким образом, будь то вычислительное мышление, научное мышление или инженерное мышление, мотивация одна и та же, и задача также одна и та же: обучение привычкам мышления экспертов новичков по своей сути проблематично из-за предварительных знаний содержания и практических навыков, необходимых для вовлечения их в те же мыслительные процессы, что и экспертов. Только когда мы связываем привычки мышления экспертов с фундаментальными когнитивными процессами, мы можем сузить их наборы навыков до более базовых компетенций, которым можно обучить новичков. Было проведено всего несколько исследований, которые фактически рассматривают когнитивную сущность CT. Среди них Ясар (Communications of ACM, Vol. 61, No. 7, July 2018) [34] описывает CT как мышление, которое генерируется/облегчается вычислительным устройством, будь то биологическое или электронное. Соответственно, CT используют все, а не только специалисты по информатике, и его можно улучшить с помощью образования и опыта.

Вычислительная логика и человеческое мышление

Вычислительная логика — это подход к вычислениям, включающий как вычислительное мышление, так и логическое мышление. Он основан на представлении о вычислениях как о применении логических рассуждений общего назначения к предметно-специфическим знаниям, 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 были разработаны различные новые учебные материалы для преодоления разрыва между STEM и не-STEM академическими дисциплинами. [40] [41] [42]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Aho, Alfred V. (январь 2011 г.). «Вычисления и вычислительное мышление». Ubiquity . 2011 (январь). doi : 10.1145/1922681.1922682 .
  2. ^ Wing, Jeannette (2014). «Вычислительное мышление приносит пользу обществу». Блог, посвященный 40-летию социальных проблем в вычислительной технике .
  3. ^ abcde Деннинг, П. Дж. и Тедре, М. Вычислительное мышление. MIT Press, 2019.
  4. ^ Wing, Jeannette M (28 октября 2008 г.). «Вычислительное мышление и мышление о вычислениях». Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences . 366 (1881): 3717–3725. Bibcode : 2008RSPTA.366.3717W. doi : 10.1098/rsta.2008.0118. ISSN  1364-503X. PMC 2696102. PMID 18672462  . 
  5. ^ ab Denning, Peter J.; Tedre, Matti (7 июля 2021 г.). «Вычислительное мышление: дисциплинарная перспектива». Информатика в образовании . doi : 10.15388/infedu.2021.21 . ISSN  1648-5831. S2CID  237830656.
  6. ^ abc Тедре, Матти; Деннинг, Питер (2016). «Долгие поиски вычислительного мышления» (PDF) . Труды 16-й конференции Koli Calling по исследованиям в области компьютерного образования .
  7. ^ abcd Деннинг, Питер Дж.; Тедре, Матти (2019). Вычислительное мышление . Кембридж. ISBN 9780262353410. OCLC  1082364202.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  8. ^ Паперт, Сеймур. Mindstorms: Дети, компьютеры и мощные идеи . Basic Books, Inc., 1980.
  9. ^ Papert, Seymour (1996). «Исследование в области математического образования». Международный журнал компьютеров для математического обучения . 1. doi :10.1007/ BF00191473 . S2CID  46013234.
  10. ^ Вычислительное мышление:
    • Репеннинг, А.; Уэбб, Д.; Иоанниду, А. (2010). «Масштабируемый игровой дизайн и разработка контрольного списка для внедрения вычислительного мышления в государственные школы». Труды 41-го технического симпозиума ACM по образованию в области компьютерных наук — SIGCSE '10 . стр. 265. doi :10.1145/1734263.1734357. ISBN 9781450300063. S2CID  19128584.
    • Guzdial, Mark (2008). «Образование: прокладывая путь к вычислительному мышлению» (PDF) . Communications of the ACM . 51 (8): 25–27. doi :10.1145/1378704.1378713. S2CID  35737830. Архивировано из оригинала (PDF) 3 марта 2016 г. . Получено 29 августа 2015 г. .
    • Wing, JM (2008). «Вычислительное мышление и мышление о вычислениях». Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences . 366 (1881): 3717–3725. Bibcode : 2008RSPTA.366.3717W. doi : 10.1098/rsta.2008.0118. PMC  2696102. PMID  18672462 .
    • Центр вычислительного мышления в Университете Карнеги-Меллона cmu.edu8
    • Изучение вычислительного мышления, Google.com
    • Как научить вычислительному мышлению Стивена Вольфрама , блог Стивена Вольфрама, 7 сентября 2016 г.
    • Конрад Вольфрам: Обучение детей настоящей математике с помощью компьютеров на YouTube , выступление на TED 15 ноября 2010 г.
    • Что такое вычислительное мышление? CS4FN на CS4FN
    • Группа Sacramento Regional CPATH создала веб-сайт Think CT с информацией о CT, разработанной в рамках этого проекта, финансируемого NSF. Архивировано 31 августа 2011 г. на Wayback Machine
    • Краткое введение в вычислительное мышление от Открытого университета. Архивировано 25 февраля 2016 г. на Wayback Machine
  11. ^ ab Wing, Jeanette M. (2006). "Вычислительное мышление" (PDF) . Сообщения ACM . 49 (3): 33–35. doi :10.1145/1118178.1118215. hdl : 10818/29866 . S2CID  1693513.
  12. ^ abcd Сакр, Мохаммед; Нг, Квок; Ойелере, Соломон Сандей; Тедре, Матти (2 марта 2021 г.). «Люди, идеи, вехи: наукометрическое исследование вычислительного мышления». Труды ACM по вычислительному образованию . 21 (3): 20:1–20:17. doi : 10.1145/3445984 .
  13. ^ «Ассоциация логического программирования».
  14. ^ «Пролог-образование».
  15. ^ "Введение в вычислительное мышление". BBC Bitesize . Получено 25 ноября 2015 г.
  16. ^ "Изучение вычислительного мышления". Google for Education . Получено 25 ноября 2015 г.
  17. ^ Репеннинг, Александр (4 сентября 2016 г.). «Инструменты вычислительного мышления». Симпозиум IEEE по визуальным языкам и человеко-ориентированным вычислениям . Получено 7 апреля 2021 г.
  18. ^ Гровер, Шучи (25 февраля 2018 г.). «Пятый «С» навыков 21-го века? Попробуйте вычислительное мышление (не кодирование)». EdSurge . Получено 25 февраля 2018 г.
  19. ^ "5-е "С" навыков 21-го века? Попробуйте вычислительное мышление (не кодирование) – EdSurge News". EdSurge . 2 февраля 2018 г. . Получено 11 июня 2018 г. .
  20. ^ "CSforALL". csforall.org . Получено 11 июня 2018 г. .
  21. ^ «Будущее вперед: как включить 5-й «С» в обучение 21-го века». eSchool News . 2 октября 2017 г. Получено 11 июня 2018 г.
  22. ^ ab Барр, Валери; Стивенсон, Крис ( 2011). «Привнесение вычислительного мышления в K–12: что вовлечено и какова роль сообщества преподавателей компьютерных наук?». ACM Inroads . 2. doi :10.1145/1929887.1929905. S2CID  207184749.
  23. ^ ab Гровер, Шучи; Пи, Рой (2013). «Вычислительное мышление в K–12 : обзор состояния этой области». Исследователь в области образования . 42. doi :10.3102/0013189x12463051. S2CID  145509282.
  24. ^ Стивенсон, Крис; Валери Барр (май 2011 г.). «Определение вычислительного мышления для K–12». CSTA Voice . 7 (2): 3–4. ISSN  1555-2128. CT — это процесс решения проблем...
  25. ^ Барр, Дэвид; Харрисон, Джон; Лесли, Конери (1 марта 2011 г.). «Вычислительное мышление: навык цифрового века для всех». Обучение и лидерство с помощью технологий . 38 (6): 20–23. ISSN  0278-9175.
  26. ^ Вольфрам, Конрад. «Вычислительное мышление — залог успеха». The Times Educational Supplement .
  27. ^ "Эксперименты PROBE". www.cs.cmu.edu .
  28. ^ Джонс, Элизабет. «Проблема вычислительного мышления» (PDF) . ACM . Получено 30 ноября 2016 г. .
  29. ^ Деннинг, Питер Дж.; Тедре, Матти; Йонгпрадит, Пэт (2 февраля 2017 г.). «Заблуждения о компьютерной науке». Сообщения ACM . 60 (3): 31–33. doi :10.1145/3041047. S2CID  411880.
  30. ^ Деннинг, Питер Дж. (1 июня 2009 г.). «За пределами вычислительного мышления». Сообщения ACM . 52 (6): 28. doi :10.1145/1516046.1516054. hdl : 10945/35494 . S2CID  215746950.
  31. ^ Истербрук, Стив (2014). «От вычислительного мышления к системному мышлению: концептуальный инструментарий для вычислений в области устойчивого развития». Труды конференции 2014 года «ИКТ для устойчивого развития » . Том 2. doi : 10.2991/ict4s-14.2014.28 . ISBN 978-94-62520-22-6.
  32. ^ Нарделли, Энрико (февраль 2019 г.). «Действительно ли нам нужно вычислительное мышление?». Сообщения ACM . 62 (2): 32–35. doi : 10.1145/3231587 .
  33. ^ Wing, Jeannette M. (март 2011 г.). «Research Notebook: Computational Thinking—What and Why?». ССЫЛКА. Журнал Школы компьютерных наук Университета Карнеги-Меллона . Университет Карнеги-Меллона, Школа компьютерных наук . Получено 1 марта 2019 г.
  34. ^ Ясар, Осман (1 июля 2018 г.). «Новый взгляд на вычислительное мышление». Сообщения ACM . 61 (7): 33–39. doi :10.1145/3214354. S2CID  49406930.
  35. ^ Ковальски, Р. Логика как компьютерный язык для детей, в трудах Европейской конференции по искусственному интеллекту, Орсэ, Франция, июль 1982 г. Перепечатано в New Horizons in Educational Computing, (ред. М. Яздани), Ellis Horwood Ltd., Чичестер, 1984 г., стр. 121-144. Перепечатано в Progress in Artificial Intelligence, (ред. Л. Стил и JA Campbell), 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. Изучение микропролога. Эддисон-Уэсли
  38. ^ Levesque, HJ, 2012. Мышление как вычисление: первый курс. MIT Press.
  39. ^ Ковальски, Р., 2011. Вычислительная логика и человеческое мышление: как стать искусственным интеллектом. Cambridge University Press. http://www.doc.ic.ac.uk/~rak/papers/newbook.pdf
  40. ^ Cecchi, LA, Rodríguez, JP и Dahl, V., 2023. Логическое программирование в начальной школе: почему, чему и как мы должны учить детей логическому программированию?. В Prolog: The Next 50 Years (стр. 131-143). Cham: Springer Nature Switzerland.
  41. ^ Ковальски, Р., Давила, Дж., Сартор, Г. и Калехо, М., 2023. Логический английский для права и образования. В Prolog: The Next 50 Years (стр. 287-299). Cham: Springer Nature Switzerland. https://www.doc.ic.ac.uk/~rak/papers/Logical%20English%20for%20Law%20and%20Education%20.pdf
  42. ^ Уоррен, Д.С., Даль, В., Эйтер, Т., Херменегильдо, М.В., Ковальски, Р.А. и Росси, Ф., 2023. Пролог: Следующие 50 лет, том 13900 сборника Lecture Notes in Computer Science.

Дальнейшее чтение

В Wikibook A-level Computing есть страница на тему: Введение в принципы вычислений.