高中信息技术课程中的计算思维课件

高中信息技高中信息技术课程中的程中的计算算思思维高中信息技术课程中的计算思维1p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程标准高中信息技术课程标准 高中信息技术课程标准 2p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维确定问题确定问题搜索信息搜索信息处理信息处理信息解决问题解决问题归纳思想归纳思想 1.知识与技能知识与技能了解概念应用工具2.过程与方法过程与方法 3.情感态度与价值观情感态度与价值观形成信息思想适应数字化发展最终形成：提升最终形成：提升学生的学生的信息素养信息素养作为课程总作为课程总目标目标信息技术课程的要求确定问题搜索信息处理信息解决问题归纳思想 1.知识3p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维课件4p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维信息加工与表达信息的获取信息资源管理信息技术与社会信息技术基础信息处理与交流信息加工与表达信息的信息资源管理信息技术与社会信息技术基础信5p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维算法与程序设计计算机解决问题的基本过程面向对象程序设计语言初步算法例举算法与程序设计计算机解决问题面向对象程序设计语言初步算法例举6p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维多媒体技术应用多媒体技术与社会生活多媒体信息采集与加工多媒体信息表达多媒体技术应用多媒体技术多媒体信息多媒体信息表达7p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维网络技术应用因特网应用网站设计与评价网络技术基础网络技术应用因特网网站设计与评价网络技术基础8p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维数据管理技术数据库应用系统数据库建立使用与维护数据管理基本知识数据管理技术数据库应用系统数据库建立数据管理基本知识9p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维人工智能初步知识及其表达推理与专家系统人工智能语言与问题求解人工智能初步知识及其推理与专家系统人工智能语言与问题求解10p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维一、标准不清晰的地方能力目标强调：学生利用信息技术解决问题的能力和技术的思想方法，但是能力特征不显著，思想方法不清晰。其一，信息技术课程的能力其一，信息技术课程的能力特征不显著。分析课程目标中的利用信息技术解决问题的过程，可以看出该过程不仅能够在信息技术课程中得以实施，同样也可以在其它课程中得以发展。Eg：“义务教育语文课程标准”就明确提出“为解决学习与生活中的相关问题。学生要能够利用图书馆、网络等信息渠道获取资料，初步了解查找资料和运用资料的方法”的学习要求在信息技术课程中，缺少了信息技术解决问题的独特方法，也就失去了其内在的特有价值。一、标准不清晰的地方能力目标强调：学生利用信息技术解决问11p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维其二，其二，信息技术信息技术的思想方法不清晰的思想方法不清晰。尽管课程标准中多次提到“信息技术基本思想与方法”的学习要求。Eg：“了解使用数据库管理信息的基本思想与方法”“掌握面向对象程序设计语言的基本思想与方法”“解释多媒体信息采集的基本工作思想”等。但是这些思想方法的内在含意是什么？它们有哪些异同、又有什么样的表现性特征？在随后的实施建议和评价建议中都没有作进一步的解释和说明，缺少了对核心术语的清晰解释和表现性说明，所谓的技术思想方法的学习目标也就只能停留于课程标准的文本之中。其二，信息技术的思想方法不清晰。但是这些思想方法的12p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维二、信息、技术课程内在价值的教学内容“简单化”分析课程标准的整体目标，信息技术课程的内在价值主要还是反映在培养学生利用信息技术解决问题的能力和信息技术思想方法上。从教学内容来看，无论是解决问题能力的培养，还是信息技术思想方法的养成，都离不开具体实践活动。课程标准所建议的“教科书内容密切联系实际，结合学生的现实生活与学习实践以及当地的社会发展，适度设置真实性的学习任务、典型案例或研究性课题”。现状调研表明，反映信息技术内在价值的教学内容却还存在着“步骤化”和“程序化”的不足。二、信息、技术课程内在价值的教学内容“简单化”分析课程标13p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维具体表现为：其一其一，“能力培养能力培养”简化为简化为“步骤学习步骤学习”将信息技术解决问题的过程固化为几项基本活动步骤，利用信息技术解决问题能力也就简化成了活动步骤的学习。事实上，现实生活中的信息问题不仅包括结构性问题，也包括非结构性问题和半结构性问题。固化的活动步骤不仅不利于学生对非结构和半结构问题的理解，反而会封闭学生信息技术的创新意识。其二其二，“思想方法思想方法”简化为简化为“程序设计程序设计”由于课程标准并没有对信息技术思想方法进行清晰的表述，这在一定程度上也弱化了技术思想方法的培养，给教学内容的安排设置了误区。其中一些算法与程序设计的教科书过于强调变量、函数、语句结构等编程语言和程序结构的技能，忽视了其内在的“算法思想”（例如模型建设、数据抽象等）的渗透。课程标准中所要求的“学生进一步体验算法思想，了解算法在解决问题过程中的地位和作用”也就很难得以实现。具体表现为：14p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维三、信息技术课程内在价值实施方法的“形式化”信息技术课程的内在价值主要是通过学校的日常教学得以实现的，教学方法的设计与实施直接影响着课程内在价值的落实。课程标准在教学实施建议中也提出“信息技术课堂教学中，要通过问题解决的活动激发学生的学习动机，发展学生的思维能力、想象力以及自我反思与监控的能力”。但是课堂观察却发现其一：其一：“教师讲，学生练教师讲，学生练”依然依然是教学组织的主导方式，是教学组织的主导方式，“技技术操练式术操练式”的的教学方法教学方法依然为教师所依然为教师所倚重倚重 即使是在探究性活动过程中，教师更多的也是分步骤地将探究问题、解决过程、方法策略，乃至作品案例呈现给学生。当学生作品呈现出“千篇一律”的格式时，发展学生的思维能力、想象力、自我反思与监控能力也就无从说起。三、信息技术课程内在价值实施方法的“形式化”信息15p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维其二：技术其二：技术思想方法的活动还流于形式思想方法的活动还流于形式。尽管一些教师也希望在课堂教学中开展基于真实情境的问题探究活动，引导学生体验信息技术的内在方法特征，发展学生信息技术的思想方法，借以落实信息技术课程的内在价值。但是，由于受课时结构、学校教学资源的限制，大部分探究性学习活动也还停留于肤浅化的表面。教学过程过于注重学习活动的组织形式，忽视学生的学习实效，过于强调活动过程的外在表象，弱化学生信息技术实质方法的思考，这也就导致了“为探究而探究，为活动而活动”的学习假象。其二：技术思想方法的活动还流于形式。16p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维 信息技术课程所表现出的内在价值的现实问题既受当时社会需求的影响(21世纪初期，信息技术课程主要还是处于“信息扫盲阶段”)，也局限于人们对信息技术属性特征认识的不足。近年来，随着信息技术应用普及和课程研究的深入，越来越多的学者对信息技术课程内在价值的具体性和教学的可操作性进行了深入的探讨。信息技术课程所表现出的内在价值的现实问题既受当时社会17p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维如何体现信息技术课程的价值呢？西蒙派珀特如何体现信息技术课程的价值呢？西蒙派珀特18p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维西蒙的最著名的成就之一是于1968年发明的LOGO编程语言（LOGO programming language）。1970年与其同事合著了人工智能著作认知器演算法(Perceptrons)。自20世纪70年代开始，他一直致力于通过LOGO语言帮助儿童成为他们自己“智力建设”的建设者。在其1980年出版的著作头脑风暴：儿童、计算机及充满活力的创意中，他系统阐述了自己的建构主义观Learning by making，在他看来，好的教育不是如何让老师教得更好，而是如何提供充分的空间和机会让学习者去构建自己的知识体系。西蒙派珀特把计算机作为帮助学习者形成算法、解决问题并在此过程中学习和锻炼智力的强有力的工具。当我们还在讨论要不要将电脑进入课堂，要不要上网的时候，西蒙与其麻省理工的同仁已经将触角伸向了更深的更高的层次：问题不是要不要，而是要如何实现“人手一本”，也即“一个孩子一台笔记本电脑”。西蒙的最著名的成就之一是于1968年发明的LOGO编程语言（19p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维课件20p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维1981年，前苏联计算机教育学家叶尔肖夫就曾预言“人类必将会生活在一种程序设计的人类必将会生活在一种程序设计的世界里世界里。在这个世界里，。在这个世界里，人类文化与程序设计不仅人类文化与程序设计不仅并行存在并行存在，而且会相互联系，融合为，而且会相互联系，融合为一种全新的人类一种全新的人类思想思想”。王吉庆信息素养论记载1981年，前苏联计算机教育学家叶尔肖夫就曾预言王吉庆21p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维数字程序计算数字程序计算22p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维人们生活与学习数据抽象和自动化处理计算科学人们生活与学习数据抽象和自动化处理计算科学23p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维计算思维计算思维的提出的提出Jeannette M.Wing,Jeannette M.Wing,Computational Thinking,Computational Thinking,Communications of ACMCommunications of ACM,Vol.49,No.3,Vol.49,No.3,2006,2006,pp.33-35.pp.33-35.卡内基梅隆大学教授、卡内基梅隆大学教授、ACM FellowACM Fellow，IEEE FellowIEEE Fellow，兼任美，兼任美国国家科学基金会主管计算机与信息科学与工程学部的副主国国家科学基金会主管计算机与信息科学与工程学部的副主任任计算思维的提出24p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维25/45计算思维(Computational Thinking，CT)周以真认为：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。25/45计算思维(Computational Thinkip高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维26/45针对上述定义解释如下：求解问题求解问题中的计算思维利用计算手段求解问题的过程是：首先要把实际的应用问题转换为数学问题，可能是一组偏微分方程，其次将PDE离散为一组代数方程组，然后建立模型、设计算法和编程实现，最后在实际的计算机中运行并求解。前两步是计算思维中的抽象，后两步是计算思维中的自动化。26/45针对上述定义解释如下：p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维27/45设计系统设计系统中的计算思维 R.Karp认为：任何自然系统和社会系统都可视为一个动态演化系统，演化伴随着物质、能量和信息的交换，这种交换可以映射为符号变换，使之能用计算机进行离散的符号处理。当动态演化系统抽象为离散符号系统后，就可以采用形式化的规范描述，建立模型、设计算法和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。27/45设计系统中的计算思维p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维28/45理解人类行为理解人类行为中的计算思维 王飞跃认为(中科院)：计算思维是基于可计算的手段，以定量化的方式进行的思维过程。计算思维就是应对信息时代新的社会动力学和人类动力学所要求的思维。在人类的物理世界、精神世界和人工世界等三个世界中，计算思维是建设人工世界需要的主要思维方式。利用计算手段来研究人类的行为，可视为社会计算，即通过各种信息技术手段，设计、实施和评估人与环境之间的交互。波尔普的三个世界观点波尔普的三个世界观点28/45理解人类行为中的计算思维波尔普的三个世界观点p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维29/45计算思维的本质抽象(Abstract)、自动化(Automation)。它反映了计算的根本问题，即什么能被有效的自动进行。计算是抽象的自动执行，自动化需要某计算是抽象的自动执行，自动化需要某种计算机去解释抽象。种计算机去解释抽象。从操作层面上讲，计算就是如何寻找一从操作层面上讲，计算就是如何寻找一台计算机去求解问题，隐含地说就是要确定台计算机去求解问题，隐含地说就是要确定合适的抽象，选择合适的计算机去解释执行合适的抽象，选择合适的计算机去解释执行该抽象，后者就是自动化。该抽象，后者就是自动化。29/45计算思维的本质 计算是抽象的自动执行，自动化p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维30/45计算思维与计算机的关系 计算思维虽然具有计算机的许多特征，但是计算思维虽然具有计算机的许多特征，但是计算思维本身并不是计算机的专属。实际上，即计算思维本身并不是计算机的专属。实际上，即使没有计算机，计算思维也会逐步发展，甚至有使没有计算机，计算思维也会逐步发展，甚至有些内容与计算机没有关系。但是，正是由于计算些内容与计算机没有关系。但是，正是由于计算机的出现，给计算思维的发展带来了根本性的变机的出现，给计算思维的发展带来了根本性的变化。化。30/45计算思维与计算机的关系 计算思维虽然具有计算p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维把计算机科学提升到科学思维层面进行研究被认为是近十年来产生的最具有基础性、长期被认为是近十年来产生的最具有基础性、长期性的学术思想，将成为性的学术思想，将成为2121世纪计算机科学研究世纪计算机科学研究的热点的热点把计算机科学提升到科学思维层面进行研究被认为是近十年来产生的31p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维为什么计算思维的提出得到如此高的评价呢为什么计算思维的提出得到如此高的评价呢？为什么计算思维的提出得到如此高的评价呢？32p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维计算思维在美国产生的背景(1)1.2005年6月美国的PITAC报告2005年6月，美国总统信息技术咨询委员会（美国总统信息技术咨询委员会（PITACPITAC）给美国总统提交了报告计算科学：确保美国竞争力（Computational Science:Ensuring Americas Competitiveness）。(1)报告写道报告写道：虽然计算本身也是一门学科，但是其具有促进其他学科发展的作用。二十一世纪科学上最重要的、经济上最有前途的研究前沿都有可能通过熟练的掌握先进的计算技术和运用计算科学而得到解决。(2)报告认为报告认为：如今美国又一次面临了挑战，这一次的挑战比以往来得更加广泛、复杂，也更具长期性。美国还没有认识到计算科学在社会科学、生物医学、工程研究、国家安全，以及工业改革中的中心位置。这种认识不足将危及美国的科学领导地位、经济竞争力以及国家的安全。(3)报告建议报告建议：将计算科学长期置于国家科学与技术领域中心的领导地位。33计算思维在美国产生的背景(1)2005年6月美国的PITACp高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维计算思维在美国产生的背景(2)2.2005年底至2006年初美国四大区的报告及建议(1)针对“计算学科与日俱增的重要性与学生对计算学科兴趣的下降”，美国NSF组织了计算教育与科学领域，以及其他相关领域的专家分四个大区（东北、中西、东南、西北）进行研讨，形成四份重要报告：Report of NSF Workshop on Integrative Computing Education and Integrative Computing Education and ResearchResearch(ICER)NortheastNortheast WorkshopReport of NSF MidwestMidwest Region Workshop on ICER:Preparing IT Graduates for 2010 and BeyondReport from the SoutheastSoutheast Region Workshop on ICER:Preparing IT Graduates for 2010 and BeyondICER Final Report of the NorthwestNorthwest Regional Meeting(2)内容及建议：以上四个文件分析了美国计算教育出现的问题，报告建议在美国国家科学基金的资助下全面改革美国的计算教育。以下两个问题和一个建议值得我们注意：大学第一年计算机课程的构建问题；多学科的融合问题；报告建议加强美国中小学学生抽象思维与写作能力的训练，目的，使学生平稳过渡到大学的学习。34计算思维在美国产生的背景(2)2005年底至2006年初美国p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维计算思维在美国产生的背景(3)3.2007年美国NSF的CPATH计划CPATH（Pathways to Revitalized Undergraduate Computing Education，大大学计算教育重生的途径学计算教育重生的途径）计划认为：计算普遍存在于我们的日常生活之中计算普遍存在于我们的日常生活之中，培养未来能够参与全球竞争、掌握计算核心概念的美国企业家和员工就变得非常重要。CPATH计划认为：尽管有的研究机构和大学对此做出了卓越的、开创性的工作，但目前美国更多的大学计算教育仍然沿袭的是几十年前的教学模式大学计算教育仍然沿袭的是几十年前的教学模式。鉴于此，NSF 2007年启动了CPATH计划，当年投入600万美元，2008年投入500万美元，2009年投入1000万美元，力图改变这种情况。经过2007年和2008年的资助和项目实践，CPATH认识到认识到“计算思维计算思维”在计划在计划中所起的独特的重要作用中所起的独特的重要作用，因此，对2009年申报的项目提出了更为具体的以“计算思维”为核心的要求。4.2008年美国NSF的CDI计划CDI（Cyber-Enabled Discovery and Innovation，计算使能的科学发现和技术计算使能的科学发现和技术创新创新）是美国国家科学基金会的一个革命性的、富有独创精神的五年计划，该计划旨在通过“计算思维”领域的创新和进步来促进自然科学和工程技术领域产生革命性的成果。CDI计划2008年启动，当年批准了共计4200万美元的72个项目的立项申请，2009年投入2600万美元，2010年投入3600万美元。35计算思维在美国产生的背景(3)2007年美国NSF的CPATp高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维目前国内外“计算思维”在信息技术课程中的培养问题处于什么状态？计算思维的研究及其进展；计算思维的思维属性和计算特征对计算学科知识建构的影响研究；目前国内外“计算思维”在信息技术课程中的培养问题处于什么状态36p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维计算思维在我国(1)1.中国2050年信息科技发展路线图由李国杰院士任组长的中国科学院信息领域战略研究组撰写的中国至2050年信息科技发展路线图中对“计算思维”给予了足够的重视，认为，计算思维的培育是克服计算思维的培育是克服“狭义工具论狭义工具论”的有的有效途径效途径，是解决其他信息科技难题的基础。长期以来，计算机科学与技术这门学科也被构造成一门专业性很强的工具学科工具学科，“工具”意味着它是一种辅助性学科辅助性学科，并不是主业。这种狭隘的认知对信息科技的全民普及极其有害。37计算思维在我国(1)中国2050年信息科技发展路线图37p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维计算思维在我国(2)2.计算机科学的变革：孙家广院士在“计算机科学的变革”一文中指出：(计算机科学界)最具有基础性和长期性的思想是“计算思维”(Computational Thinking)。国家自然科学基金委员会信息科学部二处处长刘克教授，强调了在大学中推进“计算思维”这一基本理念的必要性。中国科学院计算技术研究所研究员徐志伟总工认为：计算思维是一种本质的、所有人都必须具备的思维方式，就像识字、做算术一样；在2050年以前，让地球上每一个公民都应具备“计算思维”的能力。中科院自动化所王飞跃教授率先将“计算思维”引入国内，翻译了周以真教授的“计算思维”，撰写了相关的“计算思维与计算文化”。他认为：在中文里，计算思维不是一个新的名词。在中国，从小学到大学教育，计算思维经常被朦朦胧胧地使用，却一直没有提高到周以真教授所描述的高度和广度，以及那样的新颖、明确和系统。他希望我们能借“计算思维”之东风，尽快把中国世故人情的中国世故人情的“算计文化算计文化”反正成为科学理性的反正成为科学理性的“计算文化计算文化”，以提高我们民族的整体素质。38计算思维在我国(2)计算机科学的变革：38p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维计算思维在我国(3)3.中国高等学校计算机基础课教学指导委员会的近期工作：2010.5：在合肥会议上讨论了讨论了培养高素质的研究性人才，“计算机基础”这门课程应该包含哪些内容，如何将计算思维融入到这门课程中？2010.7：在西安会议上发表了发表了九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明，确定了确定了以计算思维为核心的计算机基础课程教学改革。2010.9：在太原会议上决定了决定了将合肥会议和西安会议中有关计算思维的讨论形成书面材料，以“计算思维：确保学生创新能力”为主题向教育部领导谏言和申请立项研究。2010.11：在济南会议上，将在全国更大范围内，深入讨论以计算思维为核心的基础课教学改革，并将太原会议的初步材料加以讨论和修改后正式上报教育部袁贵仁部长，并“以计算思维能力培养为核心推进大学通识教育改革的研究与实践”为项目，建议立项研究建议立项研究。2011.06：在北京“以计算思维为导向的计算机基础课程建设”研讨会上，组织有关高校围绕“计算思维的实质”和“如何在计算机基础教学的第一门课程中体现计算思维能力的培养”进行了讨论。39计算思维在我国(3)中国高等学校计算机基础课教学指导委员会的p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维计算思维的思维属性和计算特征对计算学科知识建构的影响研究计算思维的思维属性和计算特征40p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维计算思维课程在中国高校中正式开始实践：上海交大（2010年秋季）和南方科大（2011年春季）正在试开新型计算机基础课程“计算机科学导论：计算思维”。自此，我们国家对计算思维的研究算是进入了一个新的时代众多教育学者开始探讨并深入研究计算机科学中的计算思维。计算思维课程在中国高校中正式开始实践：上海交大（2010年秋41p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维计算思维在国外（美）2006年3月，美国卡内基梅隆大学计算机系主任周以真（Jeannette M.Wing）教授在美国计算机权威杂志ACMCommunication of the ACM上发表并定义了计算思维（Computational Thinking）；Jeannette Wing教授于2007年成立了卡内基梅隆计算思维中心，并在国家科学基金内部设立了资助项目以推进计算思维的进步 2010年，她从新定义计算思维是与形式化问题及其解决方案相关的一个思维过程，其解决问题的表示形式应该能有效地被信息处理代理执行。2012年11月21日，微软宣布正式聘请Jeannette Wing博士担任微软国际研究部门副总裁，并于2013年1月就任，这标志她将从学术界转向产业界，这也标志，计算思维这一引起热议的“概念”将不在局限于学术研讨。计算思维在国外（美）2006年3月，美国卡内基42p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维计算思维在国外（美）2007年，美国“21世纪技能合作组织”(Partnership for 21st Century Skills，P21)整合21世纪学习者应具备的基本技能，制定了“21世纪技能框架”(Framework for 21st Century Learning)，阐明培养学生数字素养在现代社会的重要性。2008年，美国计算机协会（ACM）在网上公布对CC2001（CS2001）进行的中期审查报告（CS2001 Interim Review）（草案）中，就明确将“计算思维”与“计算机导论”课程绑定在一起，并明确要求该课程讲授计算思维的本质。2011年，美国国际教育技术协会(International Society forTechnology in Education，ISTE)联合计算机科学教师协会(Computer Science Teachers Association，CSTA)基于计算思维的表现性特征，给出了一个操作性定义：“计算思维是一种解决问题的过程，该过程包括明确问题、分析数据、抽象、设计算法、评估最优方案、迁移解决方法六个要素”。计算思维在国外（美）2007年，美国“21世纪技43p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维计算思维在国外（美）2011年，CSTA发布美国中小学计算机科学标准(K-12 Computer Science Standards)，提出一个完整的计算机教育框架，该框架将计算思维、计算实践和编程纳入学科基本主线，帮助学生拓宽计算视野，理解计算机科学的基本原理和方法。此标准为此标准为中小学计算思维教育中小学计算思维教育的开展的开展提供了结构框架和提供了结构框架和内容内容指导。指导。计算思维在国外（美）2011年，CSTA发布美44p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维“计算思维是解决问题的一种过程，它包括如：如下特征(但不限于这些特征)：(1)确认所需解决的问题，并通过计算机和其它工具来解决问题；(2)符合逻辑地组织和分析数据；(3)通过抽象(例如模型、防真)的方法来表示数据；(4)通过算法(一系列有序的步骤)支持自动化的解决方案；(5)识别、分析和实施各种可行的解决方案，并整合这些最有效的方案和资源；(6)将该问题的求解过程进行推广，迁移到更广泛的问题解决与应用中”。“计算思维是解决问题的一种过程，它包括如：45p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维美国国家科学基金会（NSF）、国际教育技术协会（ISTE）、美国国家科学研究委员会(National Research Council，NRC)、CSTA计算思维工作小组(CSTA Computational Thinking Task Force)等多个研究机构对计算思维展开探索研究，为计算思维教育及推广提供资源和工具支持。美国国家科学基金会（NSF）、国际教育技术协会（ISTE）、46p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维 2012年，南加州大学Paul S.Rosenbloom教授做了一场特别的计算研讨会“计算，第四大科学领域”，引起了较大的反响。2012年，南加州大学Paul S.Rosenbloom47p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维 英国计算机学会(BCS,British Computer Society)也组织了欧洲的专家学者对计算思维进行研讨，提出了欧洲的行动纲领。英国的University of Sussex也基于计算思维方法探讨了一系列关于计算机科学的问题，匹兹堡2011年度计算机研究协会（CRA）杰出服务奖将颁发给卡内基梅隆大学的Jeannette Wing教授，以表彰其帮助定义了计算机科学的现状和可能的发展。计算思维在国外（英）计算思维不仅影响着美国，也影响着英国，在英国的爱丁堡大学，人们在一连串的研讨会上探索与计算思维有关的主题。研讨会上所涉及的学科已延伸到哲学、物理、生物、医学、建筑、教育等各个不同的领域。英国计算机学会(BCS,British Comp48p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维 2012年1月11日，英国教育部长Michael Gove在教育培训与技术展会(British Educational Trainingand Technology Show，BETT)上宣布将对英国中小学计算机教育展开全面改革。2012年3月，英国学校计算课程工作小组(Computing at School WorkingGroup，CAS)提出将计算思维作为“学校计算机和信息技术课程”的一项关键内容，并在研究报告中阐述：计算思维是识别计算，应用计算工具和技术理解人工信息系统和自然信息系统的过程，是逻辑能力、算法能力、递归能力和抽象能力的综合体现。计算思维在国外（英）2012年1月11日，英国教育部长Michael 49p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维 2013年，南安普顿大学John Woollard研究员在“计算机科学教育创新与技术”(ITiCSE)会议报告中提出计算思维“是一项活动，通常以产品为导向，与问题解决相关(但不限于问题解决)。它是一个认知或思维过程，能够反映人们的抽象能力、分解能力、算法能力、评估能力和概括能力，其基本特征包括思维过程，抽象和分解”。2013年9月11日英国教育部正式颁布国家课程：计算课程学习计划(National Curriculum in England:Computing Programmes of Study)。该计划重新定义ICT，明确界定了计算机科学、信息技术与数字素养的领域范围，强调计算机科学的重要性，并阐述计算课程的课程目标是引导学生理解和应用计算机科学的基本原理和概念；使用计算术语分析问题，具备编写计算机程序求解问题的实践经验；评价和使用信息技术；成为有责任、有能力、有自信、有创造力的ICT使用者。计算思维在国外（英）2013年，南安普顿大学John Wooll50p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维2014年6月，CAS深入分析计算思维的定义、核心概念、教学方法和评估框架，研制出计算思维培养框架，为中小学计算思维教育的开展提供指导作为中小学计算思维教育的开展提供指导作用。用。“计算思维是人们在人造(Artificial)信息系统和自然(Natural)信息系统的交互思考过程，它是人们逻辑能力、算法能力、递归(Recursive)能力、抽象能力的综合体现。良好的计算思维不仅有利于人们在信息化社会中的良好交流，也有利于人们批判性思维的发展，负责任地使用信息技术”2014年6月，CAS深入分析计算思维的定义、核心概念、教学51p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维 2009年，新西兰教育部公布“技术背景知识和技能”(Technological Context Knowledge and Skills)计划，提出包括“编程与计算机科学”在内的五项数字技术核心培养内容，该计划于2011年开始在中学课程中实施。2012年，澳大利亚课程、评估与报告管理局(Australian Curriculum,Assessment and Reporting Authority,ACARA)发布“中小学技术学科课程框架”(The Shape of the Australian Curriculum:Technologies)，将数字素养纳入学生基本能力要求，框架明确指出数字技术课程的核心内容是应用数字系统、信息和计算思维创造特定需求的解决方案。2014年4月，新加坡政府推动CodeSG运动，旨在发展全民计算思维。http:/ 在计算思维教学中，为了能明确学习结果，知道学习结束后应知和能做的内容，就有必要建立与之相对应的表现性标准。Eg1：美国计算机教师协会(CSTA)制定的“学校计算机课程标准”就建议6年级学生要能够“将计算Computing)理解为他们生活学习中的一部分”。与其对应的表现性标准为：理解利用算法解决问题的基本步骤(例如，问题陈述和探究、样本检测、设计、实施和测试)；通过“非计算机练习”(Computer-FreeExercise，不使用计算机)的方式来理解算法的基本概念；描述怎样用模拟方式去解决一个问题；当讨论一个大问题时，能够将其细化为一系列小问题等等 Eg2：标准建议9年级学生要能够将“计算思维落实于具体的工具应用中，在创造数字作品过程中，学会使用程序概念和方法”。1.建立计算思维的表现性标准 在计算思维教学中，为了62p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维2.设计设计与标准一致性的教学内容与标准一致性的教学内容教学内容与课程标准一致性是教学内容组织的一项基本原则，主要反映在“认识程度的一致性和知识要点的一致性”两个层面。从学生认知能力发展来看，不同年龄的学生对知识组织方式的接受程度存在着差异。eg：低年级学生比较容易接受图形、实物等组成的形象性学习内容，高年级学生则对程序设计语言、基本算法等抽象性学习内容具有较强的理解能力。因此，计算思维教学内容的组织上应与学生的认识水平相符合。2.设计与标准一致性的教学内容教学内容与课程标准一致性是教学63p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维教育心理学专家西蒙派珀特(SeymourPapert)从学习心理认知过程探讨学生的思维发展，提出了“计算机可以将学生形式思维具体化”的观点，并针对小学阶段学生形象思维的心理特征设计出“发现谜宫之路(乌龟图形、机器人技术)按字母顺序安排一系列的词”等LOGO语言的学习内容，引导小学生在图形制作过程中感受“问题确定、模型分析、命令实施、修改完善”的计算方法。从知识的难易度来看，教学内容中的知识要点应与课程标准相符合，反映出课程标准的基本要求。教育心理学专家西蒙派珀特(SeymourPapert)从64p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维3.组织实践探究性的教学活动组织实践探究性的教学活动 在信息技术课程中，培育学生计算思维的最终目的是期望学生将这种思维方式合理地迁移至日常生活与学习之中，全面提升学生的信息素养。3.组织实践探究性的教学活动65p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维美国中小学计算机科学标准分段设计了 计算思维的教学实施方案，建议在K-6年级，将学习内容设计成创造性和探究性活动，嵌入到社会科学、语言艺术、数学和科学课程中，7-9年级学校根据情况开设独立的计算机课程，也可以整合学科内容到其他课程中，10-12年级以必修课的方式达成学习目标。美国中小学计算机科学标准分段设计了 计算思维的教学实施方66p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维2014年9月，英国教育部使用新的教学大纲，将课程划分为四个阶段：K-2年级，理解算法概念，能够创建和调试简单的程序等，3-6年级，编程解决实际问题，了解计算机网络，有效使用搜索技术等，7-9年级，理解几个反映计算思维的关键算法，掌握1-2门程序设计语言解决计算问题，熟悉计算机组成等，10-11年级，培养计算机科学、数字媒体和信息技术的知识、能力和创造力，发展问题分析、解决、设计和计算能力等。2014年9月，英国教育部使用新的教学大纲，将课程划分为四67p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维基于计算思维的探究教学模式研究基于计算思维的探究教学模式研究68p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维课件69p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维课件70p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维模块二思维与科学思维模块二71p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维72/45一、思维的概念 思维是精神地球上最美丽的花朵。1.2 思维与科学思维 2.2.思维的组成思维的组成 思维原料思维原料(自然界自然界)、思维主体、思维主体(人脑人脑)思维工具思维工具(认识的反映形式认识的反映形式)1.1.思维的定义思维的定义 思维是人脑对客观事物的一种概括的、思维是人脑对客观事物的一种概括的、间接的反映，它反映客观事物的本质和规间接的反映，它反映客观事物的本质和规律。律。72/45一、思维的概念1.2 思维与科学思维 2.思p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维73/45 3.思维的特征 特征特征特征特征解释或说明解释或说明解释或说明解释或说明概括性概括性 思维是在人的感性基础上，将一类事物思维是在人的感性基础上，将一类事物的共同本质的特征和规律抽取出来，加的共同本质的特征和规律抽取出来，加以概括。如人们感知以概括。如人们感知(日出东方、日落西日出东方、日落西山山)，通过思维概括揭示是地球自转的结，通过思维概括揭示是地球自转的结果。果。间接性间接性 指非直接的，以其它事物做媒介来反映指非直接的，以其它事物做媒介来反映客观事物。如根据医学知识和临床经验，客观事物。如根据医学知识和临床经验，医生询问病史和辅助检查，判断病情，医生询问病史和辅助检查，判断病情，作出治疗。作出治疗。能动性能动性 不仅能认识和反映世界，而且还能对客不仅能认识和反映世界，而且还能对客观世界进行改造。如人们不仅能认知宇观世界进行改造。如人们不仅能认知宇宙速度，还能制造宇宙飞船飞向太空。宙速度，还能制造宇宙飞船飞向太空。1.2 思维与科学思维73/45 3.思维的特征 特征解释或说明概括性思p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维74/45 4.思维的类型不同分类方式不同分类方式不同分类方式不同分类方式类别类别类别类别按照思维的进程方向按照思维的进程方向 横向思维、纵向思维横向思维、纵向思维发散思维、收敛思维发散思维、收敛思维 按照思维的抽象程度按照思维的抽象程度 直观行动思维直观行动思维具体形象思维具体形象思维抽象逻辑思维抽象逻辑思维 按照思维的形成和应按照思维的形成和应用领域用领域 科学思维科学思维日常思维日常思维 1.2 思维与科学思维74/45 4.思维的类型不同分类方式类别按照思维的进p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维75/45二、科学思维 科学思维：指理性认识及其过程，即经过感性阶段获得的大量材料，通过整理和改造，形成概念、判断和推理，以便反映事物本质和规律。简而言之，科学思维是人脑对科学信息的加工活动。简而言之，科学思维是人脑对科学信息的加工活动。科学思维的主要表现科学思维的主要表现：科学的理性思维科学的理性思维科学的逻辑思维科学的逻辑思维科学的系统思维科学的系统思维科学的创造性思维科学的创造性思维 1.2 思维与科学思维75/45二、科学思维简而言之，科学思维是人脑对科学信息的加p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维76/45三、科学思维的分类1.2 思维与科学思维类别类别类别类别解释或说明解释或说明解释或说明解释或说明理论思维理论思维 理论源于数学，理论思维支撑着所有的学科领理论源于数学，理论思维支撑着所有的学科领域。正如数学一样，定义是理论思维的灵魂，域。正如数学一样，定义是理论思维的灵魂，定理和证明是其精髓，公理化方法是最重要的定理和证明是其精髓，公理化方法是最重要的理论思维方法理论思维方法实验思维实验思维 实验思维的先驱是意大利科学家伽利略，被人实验思维的先驱是意大利科学家伽利略，被人们誉为们誉为“近代科学之父近代科学之父”。与理论思维不同，。与理论思维不同，实验思维往往需要借助于某些特定的设备，使实验思维往往需要借助于某些特定的设备，使用它们来获取数据以便进行分析。用它们来获取数据以便进行分析。计算思维计算思维 计算思维是思维过程或功能的计算模拟方法论，计算思维是思维过程或功能的计算模拟方法论，其研究目的是提供适当的方法，使人们能借助其研究目的是提供适当的方法，使人们能借助计算机逐步达到人工智能的较高目标。计算机逐步达到人工智能的较高目标。76/45三、科学思维的分类1.2 思维与科学思维类别解释或p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维77/45 三种科学对应着三种思维：理论科学理论思维 理论思维又称逻辑思维，它以推理和演绎为特征，以数学学科为代表。实验科学实验思维 实验思维又称实证思维，它以观察和总结自然规律为特征，以物理学科为代表。计算科学计算思维 计算思维又称构造思维，它以设计和构造为特征，以计算机学科为代表。1.2 思维与科学思维77/45 三种科学对应着三种思维：1.2 思维与科学p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维模块四计算思维的应用领域计算思维的应用领域模块四78p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维79/45一、生物学 计算机科学许多领域渗透到生物信息学中的应用研究，包括数据库、数据挖掘、人工智能、算法、图形学、软件工程、并行计算和网络技术等都被用于生物计算的研究。1.4 计算思维的应用领域 从各种生物的从各种生物的DNADNA数据中挖掘数据中挖掘DNADNA序列序列自身规律和自身规律和DNADNA序列进化规律，可以帮助序列进化规律，可以帮助人们从分子层次上认识生命的本质及其人们从分子层次上认识生命的本质及其进化规律进化规律 DNA DNA序列实际上是一种用四种字母表序列实际上是一种用四种字母表达的达的“语言语言”。79/45一、生物学1.4 计算思维的应用领域 从各种生p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维80/45二、脑科学 脑科学是研究人脑结构与功能的综合性学科它以揭示人脑高级意识功能为宗旨，与心理学、人工智能、认知科学和创造学等有着交叉渗透。1.4 计算思维的应用领域美国神经生理学家罗杰美国神经生理学家罗杰斯佩里进行了斯佩里进行了裂脑实验裂脑实验，提出大脑两半球功能分工理，提出大脑两半球功能分工理论。他认为：大脑左右半球完全可以以论。他认为：大脑左右半球完全可以以不同的方式进行思维活动，左脑侧重于不同的方式进行思维活动，左脑侧重于抽象思维，如逻辑抽象、演绎推理和语抽象思维，如逻辑抽象、演绎推理和语言表达等；右脑侧重于形象思维，如直言表达等；右脑侧重于形象思维，如直觉情感、想象创新等。觉情感、想象创新等。80/45二、脑科学1.4 计算思维的应用领域美国神经生理学p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维81/45三、化学 计算机科学在化学中的应用包括：化学中的数值计算、化学模拟、化学中的模式识别、化学数据库及检索、化学专家系统等。1.4 计算思维的应用领域基于非结构网格和分区并行算法，基于非结构网格和分区并行算法，为求解多组分化学反应流动守恒为求解多组分化学反应流动守恒方程组开发了单程序多数据流形方程组开发了单程序多数据流形式的并行程序，对己有的预混可式的并行程序，对己有的预混可燃气体中高速飞行的弹丸的爆轰燃气体中高速飞行的弹丸的爆轰现象进行了有效的数值模拟。现象进行了有效的数值模拟。81/45三、化学1.4 计算思维的应用领域基于非结构网格和p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维82/45四、经济学 计算博弈论正在改变人们的思维方式。囚徒困境是博弈论专家设计的典型示例，但是囚徒困境博弈模型可以用来描述两家企业的价格大战等许多经济现象。1.4 计算思维的应用领域百事可百事可乐乐可口可可口可乐乐高价高价低价低价低价低价 高价高价106060103030505082/45四、经济学1.4 计算思维的应用领域百事可乐可口可p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维83/45五、艺术 计算机艺术是科学与艺术相结合的一门新兴的交叉学科，它包括绘画、音乐、舞蹈、影视、广告、书法模拟、服装设计、图案设计、产品和建筑造型设计以及电子出版物等众多领域。1.4 计算思维的应用领域83/45五、艺术1.4 计算思维的应用领域p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维84/45六、其他领域1.4 计算思维的应用领域工程学工程学(电子、土木、机械、航空航天等电子、土木、机械、航空航天等)：计算高阶项可以提高精度计算高阶项可以提高精度,进而降低重量、减进而降低重量、减少浪费并节省制造成本；波音少浪费并节省制造成本；波音777777飞机完全是采用飞机完全是采用计算机模拟测试的，没有经过风洞测试。计算机模拟测试的，没有经过风洞测试。社会科学社会科学：社交网络是社交网络是MySpaceMySpace和和YouTubeYouTube等发展壮大的等发展壮大的原因之一；统计机器学习被用于推荐和声誉服务原因之一；统计机器学习被用于推荐和声誉服务系统系统,例如例如NetflixNetflix和联名信用卡等。和联名信用卡等。地质学、天文学、数学、医学、法律、娱乐、体地质学、天文学、数学、医学、法律、娱乐、体育等育等84/45六、其他领域1.4 计算思维的应用领域工程学(电子p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维模块五计算学科的典型问题计算学科的典型问题模块五85p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维86/451.5 计算学科的典型问题一、排序问题 排序是把给定数据集合中的元素按照一定的标准来安排先后次序的过程。选择排序算法选择排序算法：对给定的一个数据表，：对给定的一个数据表，算法从第一个元素开始扫描整个列表，找算法从第一个元素开始扫描整个列表，找到最小或最大的元素，并将其与第一个位到最小或最大的元素，并将其与第一个位置的元素交换。然后算法从第二个位置的置的元素交换。然后算法从第二个位置的元素开始扫描剩下的列表，找到次小或次元素开始扫描剩下的列表，找到次小或次大的元素，并将其与第二个位置的元素交大的元素，并将其与第二个位置的元素交换。如此循环，直到所有的元素都被排好换。如此循环，直到所有的元素都被排好序为止。序为止。选择排序算法是由一个双层选择排序算法是由一个双层循环控制，算法时间复杂度循环控制，算法时间复杂度是是O(nO(n2 2)86/451.5 计算学科的典型问题一、排序问题 选择p高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维87/45 部分排序算法的时间效率比较 (单位：毫秒)1.5 计算学科的典型问题每一种排序算法对时间的效率和空间的要求不尽相同，没有哪一种是每一种排序算法对时间的效率和空间的要求不尽相同，没有哪一种是绝对最优的，在实用时需要根据不同情况适当选用，也可多种方法结绝对最优的，在实用时需要根据不同情况适当选用，也可多种方法结合使用。合使用。排序算法排序算法10101001001K1K10K10K100K100K1M1M插入排序插入排序0.0002580.0002580.0086190.0086190.7640.764565651455145515621515621冒泡排序冒泡排序0.0002760.0002760.0056430.0056430.5450.545616181748174549432549432选择排序选择排序0.0002370.0002370.0064380.0064380.4880.488