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什么是计算思维?凤凰机器人的编程课中是如何体现它的?

发布时间:2020-03-27 17:20:10

 对于生活在科技和智能自动化时代的孩子们来说,理解计算机的思维方式,运用计算思维去解决生活中的问题,被认为和听、说、读、写、算一样,是每个人必备的思维能力。然而,到底什么才是计算思维呢?

计算思维是一种运用计算机科学基本概念求解问题、设计系统和理解人类行为的方式。

——卡内基梅隆大学 周以真教授

对于计算思维,不同领域的科学家有不同理解。总的来说,计算思维指的是一种解决问题的思维过程,是能够清晰、抽象地将问题和解决方案用信息处理(机器或人),并有效执行的过程。

我们可以通过生活中的案例理解一下运用计算思维是如何解决问题的:

查找:如果要在英汉词典中查一个英文单词,相信读者不会从第一页开始一页页地翻看,而是会根据字典是有序排列的事实,快速地根据目录定位单词词条。这正是计算机中广泛使用的索引技术。计算机也是这样查找文件的,搜索引擎同样是这样的原理。

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回溯:人们走到一个岔路口,会选择一条路走下去,如果最后发现此路不通就会原路返回,返回岔路口选择另一条路。这种回溯法实际上是一个类似枚举的搜索尝试过程,主要是在搜索尝试过程中寻找问题的解,当发现不满足求解条件时,就“回溯”返回,尝试别的路径。

计算机是通过一步一步地执行指令来解决问题的。从问题的计算机表示、算法设计直到编程实现,计算思维贯穿于计算的全过程。学习计算思维,就是学会像计算机科学家一样思考和解决问题。

计算思维在编程中如何体现

计算思维是分解、模式识别/数据表示,泛化/抽象和形成算法的一个过程。通过分解问题,使用数据表示法定义涉及的变量,并创建算法,得出通用的解决方案。

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看起来有些复杂,我们以机器人设计与编程课程中的一节体验课——《运动助手计步器》为例,帮助大家理解算法思维是怎样的一个过程。

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拆解问题

拆解,即将问题分解为更小、更易管理的部分,然后专注于解决每个小问题。我们可以将复杂的问题分解为各个小部分,直至这些小部分变得简单而易于解决。

创建可在计算装置上实现的算法和过程时,分解是一项重要技能,因为计算机需要非常具体的指令。它们需要得知完成任务所需的每一个小步骤。在《运动助手计步器》这节课当中,要实现计步的功能,就需要分解整个任务:

1. 通过加速度传感器收集横向运动的数据

2. 数据转换为计算机能理解的数值

3. 横向的加速度数值变化超过一定范围则程序计算为一步

4. 通过程序,累计增加的步数

5.循环执行以上步骤

模式识别/数据表示

计算机如何识别传感器收集到的加速度变化的数据呢?我们可以将步数设置为程序中的变量,将步数设为大X,将加速度设为小x。通过变量的赋值,让计算机理解现实中的运动,这一步非常重要。

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数值.png

不同时间加速度的值,可以设为x1和x2。x1-x2的绝对值,大于一定数值则计算为一步。在本课中,可以设置当加速度值超过200个单位的变化时,计为一步,运动步数(X)增加1。

泛化抽象

泛化抽象的过程,就是抽离出现象的原理与规律,并通过计算机可以理解的方式表示出来。计步器的原理,是将加速度前后的波动,算成步数。步数增加后,再重复执行这个过程。

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反映到程序中,每计一步,输出数值,之后重复执行计步,再输出数值。以流程图来表示这个过程,可以帮助我们理清整个程序的逻辑顺序。

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创建算法

最后一步,就是形成计算机可以执行的程序,也就是算法。凤凰机器人采用图形化编程软件,让程序语言模块化,编写程序变得简单。

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该程序的关键在于条件语句的设置,即“如果为...则...”语句。条件语句的设置为程序确立了清晰的思路。程序以加速度的变化作为主要变量,通过计算加速度的波动,来计算步数,并且可以无限循环执行,达到不间断计步的功能。

计算思维为什么重要?

通过这样一个执行运动计步的编程过程,计算思维的每个步骤都得到了淋漓尽致地体现。我们在生活中常常需要分解问题,抽离问题的本质,循序渐进地处理问题,这些都是计算思维的具体体现。

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无论孩子未来是否从事计算机相关领域

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计算思维,是孩子终身需要的思维能力!