「计算思维」第四话 | “计算思维”如何与现行教育接轨?

 

此时的你应该会对“计算思维”有无尽的好奇、向往,甚至有些跃跃欲试,但不知从何下手。如果你恰好是 大/中/小学 的一线教育工作者,内心的 OS 可能是这样的:

理想很丰满,现实很骨感
作为灵魂的工程师
我该如何把“计算思维”带进我的课堂?

欢迎收看「计算思维」第四话——

感谢阿曹、菜根谭、顾天予和翼年的倾情翻译

怎样传授“计算思维”?

第四话

你将在下文了解到:

① 计算思维应如何融入到现行教育体系?

② 如果我打算教“计算思维”,该从何做起?

③ 让学生开始学“计算思维”,启动成本是多少?

“计算机思维”如何与现行教育接轨?

截至目前,我已经谈到了一些“计算思维”的机制。那么在现行的标准教育体系下,计算思维应该置身何处?

答案,我认为很简单,它应该 无处不在

有人认为“计算思维”在某种程度上只与 STEM 教育(STEM 代表科学 – Science,技术-Technology,工程-Engineering,数学-Mathematics。STEM 教育就是科学,技术,工程,数学的教育。)有关,但事实绝非如此。 计算思维与所有学科都相关,它贯穿整个教育体系,不论是社会研究、语言艺术、音乐、艺术、甚至是体育。 过去人们试图让数学和以上这些领域发生联系,可是仅靠传统的手算数学不足以使之成为现实。然而用计算机和计算思维就完全不同。在以上每个领域中都有大量、具体的内容可以借助计算和计算思维来完成。而且最棒的一点是,这些并不会把孩子们拒之门外。Wolfram 语言 承包了所有的内在的技术细节,使得人们可以真正专注于单纯的计算思维和理解,无需深究技术原理。

那么我们该怎么做呢?办法之一是重新定义“数学”教育的概念,改变人们的观念,“基于计算的数学”运动在这方面已经拔得头筹。另一个思路是想办法把计算思维直接植入到教育体系中的每一个领域。我发现在实践中,特别是低年级的没有技术背景的老师,他们对传授计算思维通常有着巨大的热情,对这一代的年轻人也是一样: 你并不需要成为一个技术宅才能对基于知识的编程和计算思维感兴趣。

在过去,因为要教 C++和 Java 这样的底层的汇编语言,或许只有一个专心致志的工程师才做得好。但是,Wolfram 语言 就完全不同。当然,如果你想学好,还是要学很多东西,但你学习的重心是更普适的计算思维,而不是计算机系统的工程细节。

那么“计算思维”应如何融入到学校课程体系中去呢?

我经常听教师说,他们如果能在规定的上课时间内把该教的东西都教给学生已经谢天谢地了,怎么还能塞得下其他东西呢?嗯,下面是一个我最近得知的一个惊人发现: 融入计算思维之后,不管是教什么学科,反而更加简单了。因此即使需要在计算思维花点时间,但要教会某一知识的总时间反而下降了,即使这意味着学生需要学更多东西。

这怎么可能?关键在于计算思维提供了使事情变得更清晰、更容易理解的框架。当你制定了一个计算规则,每个人都可以去验证,并立马能清晰地知道这个规则是否可行。不像从前,学生只能从老师的评语中了解自己究竟做得如何,而在新的规则面前,没什么值得隐藏的。

有一个发生在几年前的故事,那时 Wolfram 语言 以 Mathematica 的形式首次被用来教微积分。对于学微积分的学生来说,通常很难理解有关函数的一些概念。但教授们告诉我,他们发现,那些通过 Mathematica 学习微积分学生,没有一个对函数的概念含混不清。原因就在于他们是通过计算思维学会了函数的概念:他们在 Wolfram 语言 中看到精准的计算过程,而不像传统微积分教学中那样通过间接和抽象地听讲。

特别是在过去几十年里,几乎每个学科的教材里都有一个趋势,在解释一些东西的时候,“套话”太多,最好的解释往往需要在课外书上寻找。不知何故,像 MathWorld 和维基百科的出现,让简单直白的信息呈现方式成为主流,并被现在的学生视为理所当然。 我能想见计算思维的跨学科应用将是这种趋势的戏剧性延续:将那些过去只能间接描述知识转化为可以通过计算直接、清晰地显示出来的东西。

你可能会说,对于 莎士比亚戏剧 ,你怎样通过“计算思维”感知它的美?那好,用计算思维,你可以假设创建一个“戏剧社交网络”(比如,通过在同一个场景来记录人物关系等)。你很快就能得出一个很好的总结,这对探讨戏剧和其主题将是一个很好的切入点。
如果你要讨论的是 不同的语系 。那么,你可以用 WordTranslation 函数将你选中的词转化为成百上千种语言。然后,你可以做一个树状图来显示这些词在不同的语言中的聚类,然后你可以发现印欧语的家族。
如果你想探讨 艺术风格 ,你可以从 Wolfram 语言 海量数据库中抽取出大量的名画,然后比较不同绘画中的颜色的使用,你或许可以制作一个颜色使用随着时间变化的图表,看看是否可以找到辨别风格变化的时间界点。
如果你想了解 各国的经济 ,你可以立即创建自己的信息图,与学生一起讨论如何最好地呈现那些重要部分。如果你教的是历史,你可以用 Wolfram 语言 中的历史地图数据来比较亚历山大大帝和凯撒大帝是如何征服世界的。如果你想了解美国总统,你可以绘制出各届总统的在任时间表,并用经济或文化指标进行比较。

 

如果你教的是 英语语法 ,Wolfram 语言 可以自动分析语法结构,你也可以让学生尝试用自定义的规则来生成句子。于是他们可以看到生成的东西是什么,思考哪些是语法正确的,哪些不是。

那么 拼写 呢?计算思维是否对拼写有帮助?我不确定。但是获取所有常用的英文单词还是很容易的,然后你可以把能想到的规则都试一遍,其中,试着寻找特例可能会很有意思(如果你想知道是否 u 总是跟在 q 后面,你可以在 Wolfram 语言  中很容易知道)

对于现行教学体系中的不同学科,你都可以问一句“这节课能用得上计算思维吗?”,这将是个很有趣的练习。

有时人们对此事的第一反应是:这是个噱头。但我发现, 如果一个人真的把那门课程的本质刨根问底,那么计算思维总有地方可以帮得上忙,而且是从根本上。

随着时间的推移,将会出现越来越多的好例子。在过去,单单使用数学(不借助计算机)的结果令人失望,因为总是找不到成功的例子。 新的事物如雨后春笋版层出不穷,然而微积分教课书中的例子却从 17 世纪开始就没有变过,这也太说不过去了吧。对于现在标准的编程课,情况也没有好到哪里去:斐波那契序列能出现的也就那么几个老地方。然而对于基于知识的 Wolfram 语言,情况就完全不同了,因为它可以立即连接到横跨几乎所有领域的相关数据和计算。

既然如此,那么 如果我打算教“计算思维”,该从何做起呢?我是否要开设一个“计算思维”培训班?

在大学阶段,我认为开设一个“计算思维 101”课是个好主意,它可能是许多学生应该掌握的唯一重要的课。在高中阶段,我认为可能没有必要单开一门课,我当然不是专家,不过我更倾向于认为,在高中阶段,“计算思维”应该穿插在各种课程的不同模块里会比较好。

一个显而易见的问题是: 让学生参与计算思维的启动成本是多少?

我的感觉是,运用我们目前已有的技术,成本是极低的。 使用 Wolfram|Alpha 的话,成本为零。在 Wolfram 语言 中进行“探索”,成本无限接近于零。在 Wolfram 语言 中使用自由输入代码,需要具备一点常识,一次性教了可能更好,有点像大学的“应用数学”的浓缩版。

值得一提的是,计算思维在跨学科的应用延展性方面尤为与众不同。 每个人都希望在一门课上的所学能迁移到别处,但这种情况并不经常发生。我已经提到了传统数学的困难之处(即难以在其他领域找到直接的用武之地),作文课的情况好一些,至少人们觉得学生在写论文过程中学到一点技能至少还能用到其他学科中去。然而,对于大多数学科,所学的知识犹如一个个孤岛,你在一个领域所学的知识在另一个领域根本不会提到,更别说使用了。

对于计算思维,它使学科之间出现了大量的交集。莎翁剧里的社交网络与国际贸易网络、以及不同语言中的文字关系图谱,在计算概念上有异曲同工之妙。不管你是需要衡量经济增长,亦或是判断体育比赛结果,你需要用到的数据可视化技术可能是一样的。诸如此类不胜枚举。

 

— 未完待续 —

▍下期预告  ▍
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