Maciej M. SysłoUMK Toruń

syslo@mat.umk.pl, …@ii.uni.wroc.pl http://mmsyslo.pl

Myślenie komputacyjne– kompetencje informatyczne dla każdego

Myślenie komputacyjne – początki

1. Seymour Papert, Burze mózgów, 1980

2. Jeannette M. Wing – praca w Communicationof the ACM, 2006

3. ISTE: SIGCT – grupa zainteresowań myśleniem komputacyjnym.

4. 2008, ISSEP, Toruń

Praca nt. myślenia komputacyjnego w edukacji informatycznej

Terminologia:

computing = komputyka

dr Andrzej Walat

ks. prof. Józef Kloch, Myślenie komputerów

2Maciej M. Sysło

3Maciej M. Sysło

Informatyka

Myślenie komputacyjne

Coding

Programowanie

Wykracza poza informatykę Informatyka ≠ Programowanie

Programowanie ≠ Kodowanie

Dlaczego nasi uczniowie wypadli źle (29 miejsce na 32 kraje) w badaniach PISA w zakresie rozwiązywania problemów, programowania urządzeń cyfrowych.

Testy: najkrótsze drogi klimatyzator Biletomat

4Maciej M. Sysło

Jedna z motywacji

programowanie = rozwiązywanie problemów

Zaprogramuj … swoją przyszłość

5Maciej M. Sysło

Programowanie (lata 1940-1950:

optymalne projektowanie)

§ programy wojskowe – techniczne

§ dowodzenie, logistyka wojenna

§ problemy lokalne/krajowe: transport,

zaopatrzenie, produkcja

Programowanie:

§ dynamiczne (liceum)

§ matematyczne

Przykład: optymalne

wznoszenie się

samolotu, patrz:

Uczniowie wykrywają Zasadę OptymalnościBellmana: na każdym kroku podejmuj najlepszą decyzję w sytuacji wynikającej z poprzednich decyzji

Zaprogramuj … swoją przyszłość

6Maciej M. Sysło

Programowanie (lata 1940-1950: optymalne projektowanie):zaplanuj swoja przyszłość i rób to cały czas z uwzględnieniem wielu aspektów i metod tak, aby Twoja przyszłość była w przyjętym przez Ciebie sensie optymalnym rozwiązaniem

Programowanie komputerów w ramach informatyki kształtuje takie umiejętności, jak: § logiczne myślenie, § kreatywność w poszukiwaniu rozwiązań, § myślenie heurystyczne (”na chłopski rozum”), § poszukiwanie innowacyjnych rozwiązań, § algorytmiczne myślenie, § posługiwanie się językiem komunikacji z komputerem

(programowanie)

To myślenie komputacyjne

Maciej M. Sysło 7

Język maszyn

Język programowania – język komunikacji z komputerem –o czym rozmawiać z komputerem?

Komputer wykonuje tylko programyKażdy program jest zapisem jakiegoś algorytmu

Trzeba mieć coś do powiedzenia: znać algorytmy

Algorytm przed programowaniem

D.E. Knuth:

Mówi się często, że człowiek dotąd nie zrozumie czegoś, zanim nie nauczy tego – kogoś innego. W rzeczywistości, człowiek nie zrozumie czegoś naprawdę, zanim nie zdoła nauczyć tego – komputera

Rozwój edukacji informatycznej

Kolejne etapy rozwoju edukacji informatycznej: • alfabetyzacja komputerowa (lata 80’-90’) – podstawy posługiwania się

komputerami• biegłość w posługiwaniu się technologią (XX/XXI w.) – podstawowe

pojęcia i idee informatyczne – baza dla rozumienia technologii w jej rozwoju zdolności intelektualne w kontekście TI – myślenie abstrakcyjne w kontekście przetwarzania informacji

XX/XXI w.: technologia informacyjna jako informatyka dla każdego

• informatyka wypracowała mental tools – metody rozumowania – myślenie komputacyjne – przydatne w rozwiązywaniu problemów rzeczywistych z różnych dziedzin

• myślenie algorytmiczne – kształtowane na gruncie informatyki – myślenie komputacyjne – efekt tego kształcenia w innych dziedzinach

Teraz: informatyka i myślenie komputacyjne dla każdego8Maciej M. Sysło

Myślenie komputacyjeKompetencje (umiejętności) budowane na mocy i ograniczeniach komputerowego przetwarzania informacji w różnych dziedzinach i rozwiązywania rzeczywistych problemów

Wśród takich umiejętności są (J. Wing, 2006) § redukcja i dekompozycja złożonych problemów§ tworzenie przybliżonych rozwiązań

(aproksymacji), gdy dokładne rozwiązanie nie jest możliwe

§ stosowanie rekurencji, czyli myślenia indukcyjnego (rekurencja = iteracja)

§ tworzenie reprezentacji i modelowania danych, problemów i rozwiązań

§ stosowanie heurystyk9Maciej M. Sysło

Myślenie komputacyjne – „informatyka” dla wszystkich użytkowników komputerów

Myślenie komputacyjne towarzyszy procesom rozwiązywania problemów za pomocą komputerów. To podejście do rozwiązywania problemów można scharakteryzować następującymi cechami: • problem jest formułowany w postaci umożliwiającej posłużenie się w jego

rozwiązaniu komputerem lub innymi urządzeniami;

• problem polega na logicznej organizacji danych i ich analizie, danymi mogą być teksty, liczby, ilustracje itp.

• rozwiązanie problemu można otrzymać w wyniku zastosowania podejścia algorytmicznego, ma więc postać ciągu kroków;

• projektowanie, analiza i komputerowa implementacja (realizacja) możliwych rozwiązań prowadzi do otrzymania najbardziej efektywnego rozwiązania i wykorzystania możliwości i zasobów komputera oraz sieci;

• nabyte doświadczenie przy rozwiązywaniu jednego problemu może zostać wykorzystane przy rozwiązywaniu innych sytuacjach problemowych.

10Maciej M. Sysło

Podstawa programowa dla informatykiWspólne Cele kształcenia – Wymagania ogólne – dla wszystkich etapów

I. Rozumienie, analizowanie i rozwiazywanie problemów na bazie logicznego i abstrakcyjnego myślenia, myślenia algorytmicznego i sposobów reprezentowania informacji.

II. Programowanie i rozwiazywanie problemów z wykorzystaniem komputera oraz innych urządzeń cyfrowych: układanie i programowanie algorytmów, organizowanie, wyszukiwanie i udostępnianie informacji, posługiwanie się aplikacjami komputerowymi.

III. Posługiwanie się komputerem, urządzeniami cyfrowymi i sieciami komputerowymi, w tym: znajomość zasad działania urządzeń cyfrowych i sieci komputerowych oraz wykonywania obliczeń i programów.

IV. Rozwijanie kompetencji społecznych, takich jak: komunikacja i współpraca w grupie w tym w środowiskach wirtualnych, udział w projektach zespołowych oraz organizacja i zarządzanie projektami.

V. Przestrzeganie prawa i zasad bezpieczeństwa. Respektowanie prywatności informacji i ochrony danych, netykiety, norm współżycia społecznego, praw własności intelektualnej; ocena i uwzględnienie zagrożeń, związanych z technologią.

11Maciej M. Sysło

Spiralna realizacja na kolejnych etapachSpiralny rozwój zasobów

Technologia

Tok zajęć: problem, pojęcia, algorytm, program

Stąd propozycja toku zajęć z elementami programowania: • sytuacja problemowa (zamierzona przez nauczyciela) do

rozwiązania przez uczniów: gry/aktywności kooperacyjne, łamigłówki z użyciem obiektów, które mają konkretne/realne znaczenie dla uczniów, roboty, problemy z różnych przedmiotów

podejście do rozwiązania: heurystyka: efekt: abstrakcja, pojęcia

• pojawia się: sposób rozwiązania, algorytm• algorytm, przepis, rozwiązanie można zaprogramować

Komputer, gotowe aplikacje, zasoby sieciowe itp. – mogą pojawić się na dowolnym etapie, w dowolnym momencie –wynikiem decyzji nauczyciela lub uczniów

12Maciej M. Sysło

Nie tylko w 1-3, z najmłodszymi

Dwa ważne pojęcia: abstrakcja i heurystyka

Abstrakcja• J. Wing (CT), Myśleć jak informatyk, znaczy coś więcej niż umieć

programować – wymaga to posługiwania się abstrakcją na wielu poziomach. Program to twór abstrakcyjny.

• Z perspektywy konstruktywizmu, poznanie nowych pojęć polega na skonstruowaniu umysłowych obiektów (struktur), abstrakcyjnych, i później manipulowaniu nimi w umyśle

Heurystyka (George Polya, Jak to rozwiązać, 1945)• Rozumowanie heurystyczne nie jest traktowane jako ostateczne i

ścisłe, ale jako prowizoryczne i tylko prawdopodobne, którego celem jest odkrycie rozwiązania danego zadania

• Heurystykę buduje się na doświadczeniu w rozwiazywaniu zadań i obserwowaniu innych ludzi rozwiązujących zadania

• Odpowiednie zadanie, uczeń musi chcieć je rozwiązać.

13Maciej M. Sysło

Aktywności, inteligencje, myślenie – uczniów

14Maciej M. Sysło

Zalecane trzy formy aktywności, w uzupełnieniu tekstów:

• wizualne uczenie się (obiekty graficzne, modele abstrakcyjne i

fizyczne, obrazkowe programowanie, roboty)

• słuchowe uczenie się (rozmowy, dyskusje, grupy i cała klasa, …)

• kinestetyczne uczenie się (fizyczne aktywności uczniów)

Inteligencje wielorakie (H. Gardner) – wrażliwości, zdolności,

umiejętności:

logiczno-matematyczna, językowa, przyrodnicza, muzyczna,

przestrzenna, cielesno-kinestetyczna, emocjonalna (interpersonalna,

intrapersonalna).

Myślenie komputacyjne (mental tools) – metody umysłowe,

rozumowania, związane z rozwiązywaniem problemów, gdy

mamy możliwość i przewidujemy posłużenie się komputerem.

Te metody na ogół wywodzące się z informatyki.

1515

Roboty, które nas słuchają

Maciej M. Sysło

Pierwsze kroki – sortowanie odpadów

Schemat blokowy do kierowania robotem Program w Blockly

1. K-3: • Sytuacja: porozrzucane karty z obrazkami zwierząt, owoców itp.

Cel: pogrupujcie według własnego uznania

• Sytuacja: różne rzeczy, odpadyCel: segregowanie według rodzaju

• Informatyka, pojęcia: haszowanie, metoda kubełkowa

Porządkowanie … przez 12 lat w szkole, 1

Maciej M. Sysło

2. 1-3:

• Sytuacja: np. ciąg obrazków zwierząt czworonożnych

Cel: ustawcie według wagi ciała

• Informatyka, pojęcia:– porządek, przestawianie, przestawianie sąsiednich – obce uczniom, od najlżejszych

• Metodyka: abstrakcyjne myślenie, odkrywanie własnych sposobów

• Wsparcie, zabawy – Bóbr:

Porządkowanie … przez 12 lat w szkole, 2

Maciej M. Sysło

3. 4-6: • Sytuacje: różnorodne• Cel: różnorodny kontekst

występowania uporządkowania i sposób porządkowania

• Informatyka: różnorodne konteksty porządkowania i metody dostosowane do kontekstu

Porządkowanie … przez 12 lat w szkole, 3

Maciej M. Sysło

4. 6-8• Sytuacje: organizacja rozgrywek, wybór obiektu naj …

Cel: znajdź najlepszy/największy/najmniejszy/naj… element• Informatyka: przeszukiwanie liniowe, turniejowe – liczba porównań,

pierwsze programy (Pyhon)• Wsparcie: kinestetyczna gra, plansza klasowych/szkolnych rozgrywek

Porządkowanie … przez 12 lat w szkole, 4

Maciej M. Sysło

5. 6-8• Sytuacje: uporządkowany ciąg

Cel: znajdź wybrany element• Informatyka: przeszukiwanie binarne,

programy (Uwaga: nie taki prosty, można posłużyć się gotowym)

• Wsparcie: zgadywanie liczby, zadania z Bobra (multum)

Programy – gotowe, ale … show your work

Maciej M. Sysło

4. 7-8• Sytuacja: ciąg liczb

Cel: uporządkuj • Informatyka: iteracja: najmniejszy na początek, przestawić elementy w

złej kolejności, pierwsze algorytmy porządkowania, pierwsze programy sortujące (Python)

• Wsparcie: programy demo, Godzina Kodowania (programowanie)

Porządkowanie … przez 12 lat w szkole, 5

Maciej M. Sysło

4. LO, LO rozszerzenie• Sytuacja: ciąg liczb

Cel: uporządkuj • Informatyka: elementy komputerowych implementacji: operacja

scalania – porządkowanie przez scalanie, rekurencja, programowanie • Informatyka – pytania ogólne, np.:

• znaczenie porządku – łatwo znaleźć – szukanie przez podział ciągu –zamiast 1000 prób, tylko 10 – gra w zgadywanie liczby wśród 1000

• porównanie efektywności metod: przez wybór – stała liczba działań, bąbelkowa – szybka na mało nieuporządkowanym ciągu, porównanie czasów obliczeń

Porządkowanie … przez 12 lat w szkole, 6

Maciej M. Sysło

Maciej M. Sysło 23

Środowisko kształcenia się jako miejsce: • aktywności uczących się – na wzór FaceBooka• współpracy – realizacji projektów indywidualnych i zespołowych• miejsce zasobów własnych i obcych (na różnych prawach)• rozwoju – „rośnie” z uczącym się od kołyski po grobową deskę (LLL)• osobiste archiwum i budowane na nim e-portfolia dla różnych

adresatów • obszar własny i obszary różnych formalnych (szkoła, uczelnia) i

nieformalnych (kursy) form kształcenia • itd. itp.

Środowisko w miejscu podręcznika

Porzućmy ideę podręcznika, XIX/XX wieczną Przyjrzyjmy się, jak pracują uczniowiePrzyjrzyjmy się, jak funkcjonuje sieć i jej społecznościWyobraźmy sobie rozwój sieci i jej społeczności Zaplanujmy środowisko na miarę uczących się i czasów

24Maciej M. Sysło

e-podręcznik: 2018

uczeń papier1-3 tylko

ci najmłodsi lubią mieć swoje zeszyty, książki, powinni uczyć się pisać

e-uczeńpracuje i ma wszystkie zasoby w jednym miejscu – w chmurzeTam ma swoje miejsce

e-nauczycielznajduje się tam, gdzie są jego uczniowie

Propozycja środowiska dla zajęć z informatyki:§ w chmurze§ będzie rosnąć z uczniem, na początku: 1, 4, 7; później

dalsze lata§ technologia dla technologii § …

Dla nauczyciela: § scenariusze zajęć§ „podręcznik informatyki”

25Maciej M. Sysło

e-podręcznik: Bóbr, Godzina Kodowania

26Maciej M. Sysło

e-podręcznik – algorytm liniowy

Wiele odpowiedzi: dyskusja z uczniami Algorytm liniowy

nie musi być w linii

A co to jest linia?

27Maciej M. Sysło

e-podręcznik – porządkowanie (segregowanie)

Segregowanie na dywanie:zbierają roboty

Pojęcia („z tyłu głowy”)§ sortowanie kubełkowe § haszowanie

28Maciej M. Sysło

e-podręcznik: Sudoku

Pojęcia: § dekompozycja, § rozkład zadania/problemu, § kroki§ praca krokowa

29Maciej M. Sysło

e-podręcznik: Sudoku – abstrakcja

W zeszycie: Sudoku z figurami geometrycznymi

Pojęcie: abstrakcja – nie ma znaczenia, co układamy, tylko jak mamy ułożyć

Każdy program jest abstrakcją sytuacji, którą rozwiązuje, np. te sam program z algorytmem Dijkstry dla wielu sytuacji

30Maciej M. Sysło

e-podręcznik – program

Wiele dobrych rozwiązań

Świetny przykład (A.B. Kwiatkowska): próbujemy dopasować jedno do drugiego, porównać zgodność jednego z drugim:

n DNA – na ile jest ono wspólne dla bliźniąt?

n DNA – czy zawiera pewne fragmenty związane z chorobami dziedzicznymi?

n W jakim stopniu pokrywają się prace – plagiat?

n W informatyce – jest to dopasowanie wzorca

informatyka + 3131

Myślenie – nie tylko informatyczne

Maciej M. Sysło

Taniec:tańcz;

if nie gra muzyka then STOPelse

zrób krok;tańcz

informatyka + 3232

Myślenie rekurencyjne – w sytuacjach życiowych

Maciej M. Sysło

Rekurencja – czyli jak zwalić robotę na komputer

Stary problem, inne spojrzenie

33Maciej M. Sysło

s(n) – liczba sposobów osiągnięcia schodka n

…

n

n – 1

n – 2

1

0

•

•

•

s(n) = + s(n – 2)s(n –1)

s(1) =

s(2) =

dla n > 2

2

1

2

Profesor S. bierze jeden lub

dwa schodki – na ile

sposobów wyjdzie na piętro n

Myśl rekurencyjnie!

Króliki? Ależ to nierealistyczna

sytuacja, a taki profesor to

codzienność !

Stary problem, nowe spojrzenie

34Maciej M. Sysło

Liczby Fibonacciego – w różnych dziedzinach – myślenie komputacyjne – ale po co liczyć ich wartości? § w przyrodzie: szyszki, słonecznik: skąd? Alan Turing § w przyrodzie: kształt muszli§ w przyrodzie: wymiary człowieka§ w architekturze – złota proporcja § konstrukcja prostokąta za pomocą liczb Fibonacciego

– złoty prostokąt

Związek liczb Fibonacciego z doskonałością?Ukazały się w Helionie

Maciej M. Sysło 35

Kojarzenie

Znajdź błąd na tej stronie elementarza

Nobel za kojarzenie

36Maciej M. Sysło

Stabilny układ par, Stabilne małżeństwa – temat na zajęcia informatyczne bez komputera

Mężczyźni i kobiety z preferencjami – zawsze istnieje stabilny układ par. W 1962, David Gale i Lloyd Shapley dowodzą i podają algorytm.

W 2012 roku, Lloyd Shapley (2.06.1923 – 12.03.2016) i Alvin E. Roth otrzymują Nagrodę Nobla w dziedzinie ekonomii za the theory of stable allocations and the practice of market design

USA, 2014: Sprzeciw, jak algorytm może decydować o przyjęciu do pracy lekarzy

Programowanie: Maszyna RAM – programowanie i „przekład” programu z języka na asembler

37Maciej M. Sysło

Można pobrać ze strony: http://mmsyslo.pl/Materialy/Oprogramowanie

Programowanie Maszyny Turinga

38Maciej M. Sysło

Maciej M. Sysło 39

FL/FC – odwrócona klasa, odwrócone kształcenie

Założenie: Lepsze wykorzystanie potencjału uczących się w domu i w szkole, również nauczyciela

Uwaga: w USA inna kultura uczenia się – angażowanie się uczących się

Przebieg zajęć: § krótkie wprowadzenie do tematu w klasie (5-10 min)§ poza klasą: uczniowie przeglądają wideo jako zadanie domowe

przygotowane przez nauczyciela, zadania do wykonania w domu, dyskusja z innymi uczniami i nauczycielem – potrzebne wirtualne środowisko uczenia się

§ w klasie: wyjaśnianie trudniejszych elementów

Rezultat: wykład (20%) + praca z uczniami (80%) zamiast 80+20

Konkluzje

Myślenie komputacyjne:§ integruje ludzkie myślenie z możliwościami komputerów§ obok stosowania gotowych narzędzi i informacji kształtuje

kreatywność w tworzeniu własnych narzędzi i informacji§ przygotowuje do wykorzystywania metod i narzędzi

komputerowych oraz informatycznych w różnych dziedzinach§ wzbogaca i poszerza metodologię rozwiązywania problemów

z wykorzystaniem komputerów§ stanowi narzędzie (mental tools) w realizacji metody

projektów – stosowanej do realizacji podstawy programowej

Inne nazwy, inny nacisk: § computational learning – komputacyjne kształcenie się§ computational participation – zaangażowanie komputacyjne

4040Maciej M. Sysło