教育计算思维的主线:理论推演、实践案例【教育数字思维的主线:理论推演、实践案例】

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一、教育计算思维的本质主线:理论推演、实践案例【教育数字思维的本质主线:理论推演、实践案例】

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二、教育框架与案例——教育计算思维的视角【教育框架与案例——教育数字思维的视角】

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三、教育案例汇编——教育计算思维的视角【教育案例汇编——教育数字思维的视角】

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四、教育计算思维、计算思维教育

1、“计算思维本质”(“数字思维本质”)

面向当前数字化计算时代的“计算思维本质”,即“计算机CPU平台的0/1的语言”隐喻“人脑平台的字符/非字符的语言”(也即“人机隐喻”)。

2、“计算思维本质”默认是“0/1数字化计算思维本质”,并且隐喻“字符/非字符化计算思维本质”

上述本研究选用的计算思维的本质,体现了“计算思维本质”默认是“0/1数字化计算思维本质”、并且隐喻“字符/非字符化计算思维本质”。此思路需要先有全面系统的计算机“0/1数字”知识作为基础,再去隐喻人脑习惯的“字符/非字符”知识,所以比较适合计算机专业人士。

“0/1数字化”,即,“0/1这一数字语言”静态隐喻“人类所有的字符/非字符的语言”。静态隐喻,主要是指尽少考虑隐喻随时间空间的变化、随过程状态的变化。例如,“0/1数字化计算”领域,ASCII国际标准编码中,“0/1语言的00110001”静态隐喻“人类字符/非字符语言的1”、“0/1语言的00110010”静态隐喻“人类字符/非字符语言的2”,“0/1语言的00101011”静态隐喻“人类字符/非字符语言的+”,“0/1语言的00101101”静态隐喻“人类字符/非字符语言的-”,等等。

偏向静态的“0/1数字化”,进而可以扩展偏向动态的“0/1数字化计算思维”。即,“0/1这一数字语言”静态隐喻“人类所有的字符/非字符语言”之后,进一步实现动态隐喻。动态隐喻,主要是指需要考虑隐喻随时间空间的变化、随过程状态的变化。例如,上述“0/1语言的00110001”静态隐喻“人类字符/非字符语言的1”、“0/1语言的00110010”静态隐喻“人类字符/非字符语言的2”,“0/1语言的00101011”静态隐喻“人类字符/非字符语言的+”,“0/1语言的00101101”静态隐喻“人类字符/非字符语言的-”,但是:

•1+1=2是不应该无休止地静态隐喻下去了,而需要基于“静态隐喻”进而“动态隐喻”,实现(00110001即1)(00101011即+)(00110001即1)=(00110010即2)这一动态隐喻过程,等等。

•2-1=1也是不应该无休止地静态隐喻下去了,而需要基于“静态隐喻”进而“动态隐喻”,实现(00110010即2)(00101101即-)(00110001即1)=(00110001即1)这一动态隐喻过程,等等。

•也即,基于偏向静态的“0/1数字化”,进而扩展了偏向动态的“0/1数字化计算思维”。“0/1数字化”属于“0/1数字化计算思维”的最本质基础的一个部分。

3、“计算思维本质”:也可默认是“字符/非字符化计算思维本质”,反向隐喻“0/1数字化计算思维本质”

上述本研究选用的计算思维的本质,体现了“计算思维本质”也可默认是“字符/非字符化计算思维本质”,然后反向隐喻“0/1数字化计算思维本质”。此思路比较适合非计算机专业人士。

•例如,上述的ASCII国际标准编码中,“人类字符/非字符语言的1”反向静态隐喻“0/1语言的00110001”, “人类字符/非字符语言的2”反向静态隐喻“0/1语言的00110010”,“人类字符/非字符语言的+”反向静态隐喻“0/1语言的00101011”,“人类字符/非字符语言的-”反向静态隐喻“0/1语言的00101101”,等等。

•再例如,1+1=2是不应该无休止地反向静态隐喻下去了,而需要基于“反向静态隐喻”进而“反向动态隐喻”,实现(1即00110001)(+即00101011)(1即00110001)=(2即00110010)这一反向动态隐喻过程,等等。

•再例如,2-1=1也是不应该无休止地反向静态隐喻下去了,而需要基于“反向静态隐喻”进而“反向动态隐喻”,实现(2即00110010)(-即00101101)(1即00110001)=(1即00110001)这一反向动态隐喻过程,等等。

4、“计算思维本质”:物性与人性统一、“计算世界重要性”与“人脑世界重要性”统一

业界认为,“计算机CPU的0/1数字化计算思维”最能隐喻人脑思维,但也必须注意到人机隐喻的一些缺陷,例如,计算机是“0/1语言”的二进制电路组成的物性的机器,人是“字符/非字符语言”的神经系统组成的人性的生物体,所以,“计算思维本质”必须物性与人性统一。

业界认为,“计算机CPU的0/1数字化计算思维”最能隐喻“人脑思维”,所以,必须“计算世界重要性”与“人脑世界重要性”统一。例如:人脑世界有多广泛,计算机CPU世界也就基本可能有多广泛;人脑世界有多复杂,计算机CPU世界也就基本可能有多复杂;人脑世界能有多少功能,计算机CPU世界也就基本可能能有多少功能。应该“计算机CPU世界”≈ “人脑世界”,而不应该“计算机CPU世界”<“人脑世界”;应该“计算机CPU世界”可以应用于“人脑世界的任何领域”,而不应该“计算机CPU世界”只是“人脑世界的一个小领域”。

5、 “计算思维本质”→“计算思维”

上述计算思维的本质,与业界一般认为2006年Wing J. M.正式提出的“计算思维”、“计算思维的6个判定标准”是基本吻合的:1.是概念化,不是程序化;2.是根本的技能,不是机械的技能;3.是人的思维,不是计算机的思维;4.是数学和工程思维的互补与融合,不是纯数学;5.是思想,不是人造物;6.是面向所有的人面向所有的领域,不是仅面向计算机仅面向定量的领域。

上述计算思维的本质,与计算机科学教师协会提出的政策性的CSTA 2011计算思维定义也是基本吻合的:“Computational thinking is thus a problem-solving methodology that can interweave computer science with all disciplines, providing a distinctive means of analyzing and developing solutions to problems that can be solved computationally(计算思维是计算机科学与所有学科交织在一起,计算方式地解决问题)” 。即,“人机隐喻”吻合CSTA 2011计算思维定义中“计算机科学与所有学科交织在一起”;“计算机CPU平台的0/1语言”隐喻“人脑平台的字符/非字符语言”,吻合“计算方式地解决问题”。

上述计算思维的本质,与计算思维的各种视角的研究,也是基本吻合的。

注:“计算思维”,严格地说应该是“计算这一思维方式”(此时,“计算”偏名词);而不是“对思维进行计算”(此时,“计算”偏动词,已经不是计算思维的本意)。

6、 “计算思维本质”→“计算思维教育的本质”

基于上述“计算思维本质”,可以推演“计算思维教育的本质”。

“计算思维教育的本质”是“(0/1数字化)计算思维教育的本质”的简称,即,“计算机CPU硬件平台0/1的语言”隐喻“人脑平台的字符/非字符的语言”这一计算思维本质及其扩展,被用作教育的内容。也即,学习者与教育者互动,掌握计算思维内容,学习者然后将计算思维内容,应用成为各种领域的方法。

近年来,关于“计算思维教育”的研究报道日益增多,虽然本研究面向“教育计算思维”,而非面向“计算思维教育”,但是“计算思维教育”与“教育计算思维”之间,自然存在的内容与方法的统一性,是本研究必须遵循的基本原则之一。

此外,如果自然科学不分国界的视角,值得思考借鉴的是,美国的国家科学基金会NSF 2021年《Research on Emerging Technologies for Teaching and Learning》提案中,特意强调不资助基于传统教育方法论的各种计算科技的教育研究,那么,如果只是传统教育方法的“计算思维教育”相关的研究,应是不属于NSF资助考虑范围的。

7、 “计算思维本质”→“教育计算思维的本质”

基于上述“计算思维本质”,可以推演“教育计算思维的本质”。

“教育计算思维的本质” 是“教育(0/1数字化)计算思维的本质”的简称,即,“计算机CPU平台0/1序列的语言”隐喻“人脑平台的字符/非字符的语言”这一计算思维本质及其扩展,被用作教育的方法。也即,教育者将自己已经掌握的计算思维内容,应用成为教育领域的方法,教育者与学习者互动。

近年来,“计算教育学”的研究报道日益增多,这与教育计算思维的重要性也是吻合的。

此外,如果自然科学不分国界的视角,值得思考借鉴的是,美国的国家科学基金会NSF 2021年《Research on Emerging Technologies for Teaching and Learning》提案中,特意强调大力资助教育与计算机科学整合的新兴教育方法论的研究,那么,“教育计算思维”相关的研究,应是属于NSF资助考虑范围的。

8、 “计算思维教育”与“教育计算思维”的内容与方法的统一性

本研究主要面向“教育计算思维”,不过因为“教育计算思维”与“计算思维教育”之间内在的逻辑统一,所以也涉及“计算思维教育”。这与软件领域“C--(ASM汇编)/C/C++/C++++(C#)这些源语言”(方法),自举开发“C--(ASM汇编)/C/C++/C++++(C#)这些源语言的编译器”(内容),也是异曲同工的。

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