计算思维教育

计算思维教育
ISBN: 
978-7-5428-5978-5/G·3319
出版日期: 
2014-08
开本: 
16开
页码: 
236
定价(元): 
36.00
作者: 
王荣良
  

目录

 

第一章   计算思维起源  1

第一节   无处不在的计算  2

第二节   机器计算的发展历程  3

一、 机械表达计算  3

二、 机械自动计算  4

三、 机电计算  6

四、 电子计算  7

五、 机器计算发展历程回顾  8

第三节   思维科学的兴起  9

第四节   计算思维的提出  10

第五节   计算思维诞生的前与后  13

一、 计算思维的发展阶段  13

二、 计算思维在欧美  14

三、 计算思维在中国  15

第六节   计算作为一门学科  17

一、 学科与计算学科  17

二、 研究报告“计算作为一门学科”  18

三、 报告的局限性及思考  20

 

第二章   计算与计算思维  23

第一节    什么是计算  24

一、 计数与计算  24

二、 逻辑与计算  27

三、 计算定义的探讨  29

四、 计算模型  32

第二节   计算机科学的基础概念  36

一、 计算机学科的知识结构  37

二、 计算装置  40

三、 计算载体  41

四、 计算过程  45

五、 计算资源  47

第三节   思维与思维方式方法  51

一、 什么是思维  51

二、 思维方式  55

三、 思维的逻辑方法  57

第四节   计算思维概念辨析  59

一、 周以真教授论述计算思维  60

二、 从计算机学科方法论看计算思维  63

三、 计算思维与计算机思维  65

四、 计算思维的本质  67

 

第三章   计算思维的基本方法  72

第一节   计算的学科形态  73

一、 抽象形态  73

二、 理论形态  74

三、 设计形态  77

第二节   计算的基本问题  79

一、 学科的重大问题  80

二、 计算学科的基本问题  81

三、 关注基本问题的意义  83

第三节   计算思维的数学方法  83

一、 证明方法  84

二、 递归方法  88

三、 公理化方法  91

四、 形式化方法  93

第四节   计算思维的工程方法  95

一、 系统方法  96

二、 分治方法  98

三、 结构化方法  101

四、 面向对象方法  103

五、 快速原型方法  106

六、 演化方法  107

 

第四章   计算思维教育的实施  108

第一节   思维教育  109

一、 知识教育与思维教育  110

二、 思维教育的本质  113

三、 思维教育的实施策略  116

第二节   计算思维教育的内容和途径  120

一、 计算思维教育的基本途径  120

二、 计算思维教育核心思想的形成  121

三、 计算思维教育的主要内容  123

四、 渗透计算思维的教学方法  127

第三节   计算思维教育实践  133

一、 计算机导论课程中的计算思维教育实践  133

二、 大学计算机基础教学的计算思维教育实践  136

三、 程序设计教学的计算思维教育实践  145

 

第五章   中小学计算思维教育  153

第一节   计算机教育追溯  154

一、 从计算机课程到信息技术课程  155

二、 课程教学内容梳理  158

三、 计算思维教育挖掘  162

第二节   信息技术课程的思维价值探索  167

一、 信息技术课程中的算法思维  168

二、 信息技术课程中的工程思维  170

三、 信息技术课程中的批判性思维  173

第三节   中小学计算思维教育的国际视野  178

一、 计算机科学教育的兴起  178

二、 英国中小学计算机科学课程  183

三、 美国K—12计算机科学标准  187

四、 计算机科学课程中的计算思维  191

第四节   信息技术课程中计算思维培养的实现  194

一、 基于计算思维教育的教学原则  195

二、 基于设计的计算思维教学  198

三、 基于应用与操作的计算思维教学  208

 

第六章   计算思维应用与影响  212

第一节   计算与思维的哲学思考  213

一、 计算中的哲学思想  214

二、 从“万物皆数”到计算主义  215

第二节   计算思维的应用  216

一、 计算思维的应用领域  217

二、 计算思维对教育的影响  219

 

参考文献  222

内容提要

前言

 

        在中国古代,学科有两个概念,一是指学问的科目门类,另一是指科举考试的学业科目。现代学科的形成主要源自西方。在西方的知识发展史上,知识的分门别类从古希腊的哲学就已经开始了。17世纪以后,很多学科从自然哲学中分离出来自立门户,逐渐形成了知识专业化的现象,现代学科正式诞生。

        目前中小学是以科目为课程的主要呈现形式:教师是以科目为单位来划分课程内容、组织教学并进行评价;学生的文化知识结构也是以此为架构来搭建的。以学科为类属的知识划分直接影响了现代学校中课程的科目组织,学科直接影响了现代学校的课程体系,使得学校科目成为了学科的含义。

        学科能进入中小学校的课程科目,需要满足三方面的基础条件,其一是现代知识观的哲学基础,即具备客观性、普遍性和中立性三大特征;其二是心理学基础,学校科目体系的安排和目标与学生心智发展的内部条件保持一致;其三最重要,是社会政治和经济基础。

        现代的数字电子计算机诞生于20世纪40年代。到了20世纪50年代,各知名大学争先恐后地开设与计算机相关的课程,但当时计算机只被视为数学或工程学的一个分支,并非独立的学科。到了20世纪60年代,各大学开始设立计算机科学系,计算机科学才真正成为一门学科。

        在我国中小学,社会政治和经济因素对推动计算机课程的诞生与发展作用巨大。科技的发展、计算机应用的普及、信息化浪潮的来临,特别是领导力的作用,促进了计算机课程的诞生以及从计算机课程到信息技术课程的转变。但是,信息技术课程在哲学基础和心理学基础上的欠缺,使得该课程总是困惑不断而呈现出不稳定性,其发展的基本依据是“什么知识最有用”的简单实用主义,也缺少对中小学生心智特征和信息技术知识体系的系统研究。目前的信息技术课程教学主要还是停留在计算机的操作技术学习上,并呈现向更泛化的信息处理和信息文化发展的趋势,这种发展趋势因该课程逐渐淡化技术和学科属性而使对应的学科越来越不明确。信息技术课程存在着许多的困惑,促使人们对课程的学科本质进行思考。

        一次偶然的机会,我聆听了一位教育信息化专家的报告,他感慨远程教育信息化的发展远不如远程医疗信息化。这一说法获得了普遍的认同,但少有人提出其中存在的问题。其实,教育信息化的问题并不仅仅在信息化本身,还因为教育教学过程不能被抽象为可计算的模型。

        基于计算机应用的教育信息化的本质是可计算问题,这促使我思考理解计算的意义。当今社会,我们称之为普适计算的时代,与我们生活、工作相关的大量信息都被转换成一定的数据形式由计算机处理,机器计算无处不在。另一方面,随着计算机技术的发展和人机交互的重视,以操作计算机实现简单应用的教育需求越来越小。机器计算的普及和计算机操作的便捷促使我们对计算机教育目标定位的再思考。如果社会公民通过常规教育能够理解计算,能够知道什么是可计算的,什么是不可计算的,那么,在他今后的工作与生活中,就可以清楚什么工作是可以由计算机自动完成的,什么工作必须由人完成。当然,他也会清楚教育信息化过程中哪些问题是可以由计算机来解决,教育信息化发展的瓶颈在哪里。因此,通过学校教育,让学生理解什么是机器计算,对他今后的工作和生活是有意义的,而这意义不只局限于从事计算机专业领域的工作。

        2006年,周以真教授在美国提出计算思维。2008年,我国高校也开展了计算思维的研究,并在高校的公共计算机基础课程和部分的计算机专业课程开展相关教学实践,以期解决大学计算机教育中存在的“狭义工具论”问题,注重培养学生的创新能力。尽管近年来计算思维受关注程度越来越高,但许多教师还是不清楚计算思维的本质是什么,感觉计算思维有多种版本,特别是缺少从思维教育角度来理解计算思维。2012年,我在《中国信息技术教育》杂志撰文“计算思维:一种新的学科思维方式”,向中小学推介计算思维教育。文章发表以后,得到了许多中小学教师的关注。基于不少教师想深入了解计算思维,我萌发了详细阐述计算思维教育的想法。

        本书花费较多的篇幅阐述计算学科及相关原理,努力通过计算的本质来理解计算思维的本质,而不是简单地停留在什么是计算思维的概念之上。只有清楚计算模型,掌握从抽象、理论到设计的学科方法,理解机器计算,才能真正理解计算思维。本书也从数学和工程两方面归纳了计算思维的学科方法,希望能帮助读者从学科方法论的角度理解计算思维,并掌握相关的方法。本书适量地介绍了思维的相关知识,并阐述了从知识教育到思维教育变化的缘由和意义,希望通过计算思维教育的个案来引发读者对思维教育价值的思考、探索与实践。在本书的后半部分,通过介绍一些计算机基础课程、程序设计课程以及中小学的信息技术课程教学案例,挖掘和阐述其中的计算思维教育成分,以期让读者能对计算思维教育有相对具体的认识。由于计算思维教育的研究与实践还刚开始,特别是在基础教育中更为鲜见,其教学案例还不够成熟,有待通过研究与实践来完善。

        本书所阐述的计算思维教育涉及计算、心理、教育等多个学科,读者可以感受多个学科在计算思维教育领域碰撞中产生的智慧火花,但同时也面临着如何理解本书内容的挑战。本书引用了一些与计算原理和学科发展相关的有趣故事,希望能增强可读性,以淡化理论叙述的枯燥以及对数学基础的要求。如果读者在阅读本书过程中对部分理论或实例暂时理解不透,可以先跳过,因为这不一定影响以后章节的阅读,并且很有可能在阅读其他章节以后反而能够得到释疑解惑了。受多种因素的限制,本书对涉及的一些基本理论、经典算法和学科方法并没有详细阐述,读者想深入了解,可以阅读相关专业文献资料。

        本书的写作,参考了大量文献,包括书籍、论文以及网络资料,主要文献已罗列于本书的“参考文献”中,但难免挂一漏万。在本书的写作过程中,房诗林老师、汪霞华老师、陈久华老师、王斌华老师提供了教学案例,桂兆焜老师、房诗林老师还对书稿提出了很有价值的建议,在此表示衷心感谢。另外,特别要感谢出版社杜文彪主任对中小学信息技术教育以及计算思维的热情与关注,因为他的鼓励与支持才使得本人阐述计算思维教育的想法能以书稿形式实现。撰写本书时,本人正逢化疗赋闲在家,从而得以有时间静心思考,同时也使写作成为对抗病魔的一种手段。本书能够完成,离不开家人的理解、支持以及无微不至的照顾,也离不开许多朋友们的关心与帮助,在此一并致谢。

        本书仅是从计算原理的视角阐述计算思维以及计算思维教育,加之本人水平有限,书中不足与错误之处在所难免,望读者不吝赐教。

        希望本书能对有兴趣从事计算思维教育的教育工作者提供帮助。普及计算思维教育,让更多的学生知道什么是计算,比学会简单的操作计算机更有意义。

 

        作者  

        2014年3月

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