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運算思維-AI4kids

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。」

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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20230707_content_055_PatterGeneralization_600x60020230707_content_055_PatterGeneralization2_600x600

    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20230707_content_055_AlgorithmicThinking_600x600

  • 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
    • 20230707_content_055_DataRepresentation_600x600
    • 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20230707_content_055_operational-thinking3_600x600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

        Tag:108課綱AI人工智慧運算思維

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