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Google 面向教育者的计算思维课程
课程目录
目录
一、计算思维简介 .......................................................................................................................................... 4
1-1 什么是计算思维? ............................................................................................................................. 4
1-1-1 计算思维(CT:Computational Thinking) .......................................................................... 5
1-1-2 计算思维要素 ......................................................................................................................... 6
1-1-3 将计算思维应用在未来课堂中 ................................................................................................ 6
1-2 课程如何运作 .................................................................................................................................... 8
1-2-1 课程结构 ................................................................................................................................. 8
1-2-2 其他内容 ................................................................................................................................ 9
二、算法探究 ............................................................................................................................................... 10
2-1 概述 ................................................................................................................................................ 10
2-1-1 计算机科学:旅行 ............................................................................................................... 11
2-1-2 人文学科:与时俱进的字词 .................................................................................................. 14
2-1-3 数学:元胞自动机 ............................................................................................................... 17
2-1-4 科学:基因组学 ................................................................................................................... 21
2-2 课程反思 ......................................................................................................................................... 24
三、模式发掘 ............................................................................................................................................... 26
3-1 概述 ................................................................................................................................................ 26
3-1-1 计算机科学:数据压缩 ......................................................................................................... 27
3-1-2 人文学科:音乐 .................................................................................................................... 32
3-1-3 数学:小海龟几何 ................................................................................................................ 35
3-1-4 科学:分类 ........................................................................................................................... 40
3-2 课程反思 ......................................................................................................................................... 44
四、算法开发 ............................................................................................................................................... 46
4-1 概述 ................................................................................................................................................ 46
4-1-1 计算机科学:汉诺塔 ............................................................................................................. 47
4-1-2 人文学科:聊天机器人 ......................................................................................................... 51
4-1-3 数学:计算器 ....................................................................................................................... 54
4-1-4 科学:弹力球 ....................................................................................................................... 60
4-2 课程反思 ......................................................................................................................................... 63
2
五、应用计算思维 ........................................................................................................................................ 66
5-1 项目概要 ......................................................................................................................................... 66
5-2 反馈、评估、评分 .......................................................................................................................... 66
5-2-1 项目,第一部分 .................................................................................................................... 66
5-2-2 项目,第二部分 .................................................................................................................... 66
5-3 样例项目 ......................................................................................................................................... 67
5-4 总结 ................................................................................................................................................ 68
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课程简介
本课程的目标是帮助教育工作者学习计算思维(CT:Computational Thinking),了解它与
计算机科学的区别,以及理解如何将其整合到不同的学科中。在课程学习过程中,你将深化对于计
算思维的认知,探究计算思维与特定学科相结合的案例,参与将计算思维应用到特定学科领域的综
合实践活动,制定一个计划将计算思维整合到你自己的课程中。
本课程分为五个单元,每个单元的要点如下:
● 计算思维简介: 什么是计算思维,它出现在哪里?它为何需要你的关注?以及它是被
如何应用的?
● 算法探究:课程带你亲历学科领域中的算法实例。认识到算法是一种可以提高学习者
做事能力的强大工具,同时认识到技术对于实现算法和完成算法的自动化是非常有用
的。
● 模式发掘:探索学科案例中蕴含的模式例子,通过模式识别形成一套自己独有的、探
究问题的流程。
● 算法开发:增强你在解决问题过程中应用算法过程的信心,并了解算法是如何清晰地
表达一个过程或规则。
● 课程项目:应用计算思维。撰写一份如何将计算思维应用到你的学科中的计划,陈述
如何将计算思维整合到你的日常工作和课堂教学中。
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一、计算思维简介
1-1 什么是计算思维?
这部分是 5 分 38 秒的视频,译文如下:
如何绘制人类的完整 DNA 序列?威廉莎士比亚的著作是否全部亲笔所著?是否能编写出可自
主作曲的智能电脑程序?以上这三个现实问题有什么共性吗?要想回答这些问题,需要使用所谓的
计算思维。每天都有越来越多的人正在使用这种思维方式解决各式各样的问题。因此,无论教授数
学、科学、计算机或者人文学科,计算思维都能为你的课堂活动添砖加瓦。那么,什么是计算思维
呢?
计算思维是一种问题解决的方式。这种思维将问题分解,并且利用所掌握的计算知识找出解决
问题的办法。计算思维可以划分为四个主要组成部分:其一,所谓“解构或分解”,即把问题进行拆
分,同时厘清各个部分的属性,明晰如何拆解一个任务;其二,所谓“模式识别”,即找出拆分后问
题各部分之间的异同,为后续的预测提供依据;其三,所谓“模式归纳”,或“抽象化”,即探寻形成
这些模式背后的一般规律;其四,所谓“算法开发”,即针对相似的问题提供逐步的解决办法。
如今人们尝试在许多学科领域中应用计算思维解决问题。当人们提出易被计算机解决或者通过
大数据分析探寻内部规律的难题的时候,表明他们正在运用计算思维进行思考。计算思维带动了计
算生物学、计算化学等领域的发展,同时也带来了能够运用在文学、社会研究和艺术方面的全新技
术。计算思维早已来到我们身边,存在于我们生活各处,所以我们没必要对其感到恐惧。
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有些人将计算思维和计算机科学混为一谈,但事实上这二者泾渭分明。计算机科学是一门学术
性学科,包括了可计算性的研究及其借助计算机的应用。相比之下,计算思维则是我们攻克难题的
一种方式。即是一种直观与抽象的思维方式。无论你是否是计算机科学家,还是其他什么人,你都
会用到计算思维。这是一种让人获益匪浅的普适思维技能。计算思维还能增加学生面对模糊的、复
杂的或开放性的问题时候的自信心。因此,任何学科背景或年龄段的学生都应该学习计算思维。
将问题分解成大小不同的部分,并逐一处理解决,最终进行总结归纳以解决整体问题,这是一
种让人受益的技能。假设你现在是一名记者,想要了解人们对待即将到来的大选所持的各种观点。
一种方法是在大街上询问他们的想法,另一种方法是使用一种能够在几秒之内分析数以万计的社交
媒体网站内容的计算机程序。这是一个能够体现基于计算思维解决问题优势的例子。因此,过去的
学生如果想要寻找和理解数据,需要人工收集数据,而现在的学生可以通过改进算法迅速地获得结
果,将更多的注意力放在对数据进行深入研究上,而不是放在收集与计算数据上面。通过运用科技
的力量,我们能够会聚精力,增强洞察力,分析具体情况,并且得出结论。
学生们不应该只是简单地使用教给他们的模型,而应该能够创建出来自己的模型。为了做到这
点,学生们必须借助计算思维,发现或者洞察出隐藏在事物背后的联系。计算思维不是额外的负担
或需要单独教授的内容,而是对现有课程的优化。因此,早期我多以日常生活的案例来说明计算思
维,帮助学生理解计算思维是一种与其自身息息相关的事物,他们就会明白计算思维确实存在于生
活的各个方面。如果我们的学生掌握了计算思维技能,成为技术创新者,那么,他们不仅能够在国
际专业领域找到立足之地,还可以通过创造性地解决重要问题而造福社会。
那么如何绘制人类基因序列呢?答案是借助算法与电脑程序给 DNA 中数以百万计的碱基对进
行排序。如何破解莎士比亚著作之谜呢?答案是通过计算机分析莎翁作品的词汇、主题和风格,能
够确认莎士比亚确实编著了自己名下所有的作品,实至名归。至于那个如何实现智能作曲的问题,
则可以通过计算思维发现已有音乐作品中的存在方式与规律,编写程序,生成全新的音乐作品。今
天的人类所面临的全球重大问题,都需要跨学科来解决。通过将计算思维的技能整合进入所有学科
之中,所培养出来的学生能够对过去看似无解的问题,提出全新的解决方案。当然今天或许还无法
解决很多大自然的谜题,诸如重力如何产生,能否治愈癌症,等等,但是在不久的将来,我们的学
生或许能够借助计算思维的技巧回答这些问题。
1-1-1 计算思维(CT:Computational Thinking)
计算思维是一个有着诸多特点和要求的问题解决过程。计算思维不但对于计算机应用的发展非
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54sunboy
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