運算思維

根據教育部的課綱設計，運算思維主旨培養孩子，從程式設計學習與理解運算工具之思維邏輯，藉此方法分析問題、發展研究方法，並進行有效的決策。對於運算思維也有其他文獻提出不同的解釋：一種能利用電腦解決問題的思維，包含使用如抽象化、遞迴、迭代等概念來處理與分析資料，並產出實體與虛擬作品的能力 (CSTA Computer Science Teachers Association, 2011)。利用數位科技設計與實作演算法解決問題的思維 (ACARA Australian Curriculum, Assessment and Reporting Authority, 2013)。

美國卡內基梅隆大學教授 Jeannette M. Wing 認為，在基礎語言能力中應該加入運算思維，在讀、寫和算數之外，還需要該加上電腦運算思維的概念：「運算思維的技巧，並不是只有電腦科學家的專利，而是每個人都應該具備的能力及素養。」

圖片來源：教育部108年度資訊科技課綱

根據Google 的定義，運算思維包含：

• 抽象化：為定義主要概念去識別項目，並萃取相關資訊
• 演算法設計：產出程式指令，以解決問題或完成任務
• 自動化：利用電腦或機器來完成重覆性的工作
• 資料分析：透過歸納模式或發展深入分析方法以理解資料
• 資料蒐集：蒐集解決問題的相關資料
• 資料表示：用適合的圖表、文字或圖片等表達與組織資料
• 解析：將資料、程序、問題拆解成較小、較容易處理的部分
• 平行化：同時處理大任務中的小任務以有效達到解題目的
• 樣式一般化：觀察樣式產生的模型、規則、原則或理論，以預測的結果
• 樣式辨識：在資料中觀察樣式、趨勢或規則
• 模擬：發展模型，以模仿真實世界的規則

資料來源：Google (2015). Exploring Computational Thinking. Retrieved from

https://www.google.com/edu/resources/programs/exploring-computational-thinking/

抽象化：

• 辨識並擷取與解題相關的關鍵部分，抽取基本的解題單元，以重複利用此一解題單元，並擴展解題領域→樣式辨識/一般化
• 從複雜的現實世界映射到簡化的抽象模型→模型化、模擬

抽象化的案例：

• 捷運地圖
• 垃圾分類圖說
• 運算式的抽象化
• 心智圖 (mind map)

樣式一般化(Pattern generalization)：

• 產出共通的模式、規則、原則或理論

  

模型化(Modelling)：

• 根據不同需求(為了容易瞭解、定義、量化、 視覺化或模擬等)，將複雜的現象以簡化的方式表達
• 可用以將抽象的概念視覺化
• 可作為實驗結果闡釋的依據
• 可作為預測的基礎

演算法思維(Algorithmic thinking)：

產出有序指令以解決問題或完成任務

圖片來源：http://gaymarriagedata.blogspot.com/2016/11/lifa.html

資料表示(Data representation) 

• 用適合的圖表、文字或圖片等表達與組織資料

運算思維的例子

• 科學與工程領域
  利用運算模擬建築結構，以確認安全性、利用運算預測氣象，以增加準確性

• 人文與社會領域
  利用運算分析並優化廣告投放策略
  利用運算分析人口老化趨勢與醫療資源分布

• 藝術領域
  利用運算建構三維動畫
  利用運算創作數位音樂

主要概念

• 問題拆解
• 抽象化
• 模式辨識
• 演算法設計

學生各階段的學習能力指標

國小一、二年級：

• 觀察生活周遭的規則，例如：葉子綠了又紅、落葉
• 利用手繪描寫一個故事，例如：今天早上你做了什麼？
• 用顏料混和顏色，思考先後次序如何影響顏色

國小三~六年級：

• 描述運算思維的例子，討論生活中的問題解決
• 用長條圖、圓餅圖、集合、數列、圖表等表示資料
• 做長除法、因數分解；作加減法的進位

國中一~三年級：

• 使用代數的變數；辨識應用問題中的基本事實；研究代數函數並與程式函數比較；使用迭代(iteration)來解決應用問題
• 定義物件和方法；定義main和functions
• 針對某一領域的問題實作演算法進行實驗程序

高中一~三年級：

• 使用資料結構，例如：陣列(array), 鏈結串列(linked list), 堆疊(stack),佇列(queue), 圖(graph),雜湊表(hash table)等
• 使用程序來封裝一組經常重複使用的指令、使用函數、使用條件敘述、迴圈、遞迴等
• 實驗及理解簡單的運算思維