中小學培訓-不插電的計算機科學

1、不插電的計算機科學教學方法,新疆農業(yè)職業(yè)技術學院 信息技術分院徐玉蓮,不插電的計算機科學的背景不插電的計算機科學的內容不插電的計算機科學的內涵實現(xiàn)“不插電”學習計算機科學的教學方法游戲教學法的案例,內容提要,計算機無處不在，無處不用；中小學生有必要探尋、領悟計算機的原理及其解決問題的精妙思想；通過游戲教學將抽象、復雜的計算機原理形象化、簡單化，使學生們了解計算機工作的基本原理；培養(yǎng)學生們的“計算思維”，開發(fā)他們解決

2、問題的方法，自我獲取知識的能力。,CS Unplugged的背景,CS Unplugged的背景,不插電的計算機科學（Computer Science Unplugged，簡稱Unplugged 項目）是Tim Bell, Mike Fellows and Ian Witten 領導的一個非贏利性項目，在很多國家都有捐助者（包括新西蘭、美國、瑞典、澳大利亞、中國、韓國、臺灣和加拿大）。團隊包括的成員或關鍵組織的成員有ACM K-12 委

3、員會、ACM 課程委員會、CSTA（CS 教師協(xié)會），也包括那些將此項目作為他們研究的校長、教師、大學outreach coordinators，研究生等。它鏈接到Google 贊助的CS4ALL 項目（UW、CMU 和UCLS），并將為一些項目提供資源和支持，如NCWIT（National Centerfor Women & Information Technology ， 婦女與信息技術國家中心） 和TECS(Teacher

4、 Enrichment in Computer Science，計算機科學教師強化)?，F(xiàn)在正在建立一個國際顧問團隊為該項目提供指導，包括K-12 教育的代表（小學和中學），專業(yè)團隊（如ACM、CSTA），國際捐助者（如Google、Microsoft）。,不插電的計算機科學是一系列免費的學習活動， Unplugged通過使用卡片、串珠、蠟燭等，穿插有大量的活動，參與一些游戲及謎題，達到學習計算機科學的目的。這些活動向學生介紹了計算機科

5、學中的很多概念，像二進制數(shù)， 排序算法 以及 數(shù)據(jù)壓縮等，不使用計算機，學生可以學到計算機科學中的很多思想。不插電的計算機科學適合于各個年齡階段的人，從孩子到老人，從城市到鄉(xiāng)村。在世界各地，人們使用不插電的計算機科學已經超過15年了，無論是在教室、科學中心、家里，甚至是在公園里，Unplungged 可以作為假日活動來進行。主要目標是將計算機科學（以及通常的計算）作為一種有趣的、迷人的、智力上刺激的學科，從而向年輕人推廣。,CS U

6、nplugged的背景,為了滿足人們的需要，計算機會在內部處理兩類事情：計算機會存儲數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)是計算機工作時處理的原材料對象，計算機會將內部數(shù)據(jù)轉換為人們可以理解的信息（如：數(shù)字、詞語和圖像）。(第1-7章)計算機通過一系列指令對數(shù)據(jù)進行處理 通過這些指令（即算法）使得計算機能夠解決許多問題（如：排序、查詢、發(fā)送及傳輸信息）。 (第8-15章),不插電的計算機科學的內容,二進制數(shù)和“比特”,不插電的計算機科學的內容,二進

7、制數(shù)字游戲,二進制數(shù)和“比特”,游戲目的 掌握比特(bit)非0即1 ，二進制的性質以及二進制與數(shù)字之間的轉換規(guī)律。游戲內容 通過學生手持卡片的翻轉反面和正面，代替比特的 “0”、“1”變化；通過人數(shù)的變化，說明二進制的性質。游戲結果 比特是計算機技術中一種常用的度量單位，非0即1 ，且容易實現(xiàn)；從小比特可到大數(shù)字。,二進制數(shù)和“比特”,準備卡片你留意到卡片的規(guī)律沒有?如果向左側繼續(xù)增加一張卡片,這

8、張卡片需要畫幾個點?,二進制數(shù)和“比特”,數(shù)字6如何表示?,二進制數(shù)和“比特”,數(shù)字0-9如何表示?任何數(shù)字能用不止一種方法來表示嗎?5張卡片能表示的最大數(shù)字是多少?能表示的最小數(shù)字是多少?,二進制數(shù)和“比特”,二進制01001表示多少?這些卡片一共有多少個比特?,二進制數(shù)和“比特”,用任意符號代表二進制中的0和1,二進制數(shù)和“比特”,生日蛋糕,二進制數(shù)和“比特”,Born August 2, 1970,探尋 比

9、特還可以表示字母、圖像，如：ASCII碼或Unicode碼來存儲字符；比特表示像素存儲圖像。 字節(jié)是連續(xù)存儲的8比特，可以表示256個不同的數(shù)值（從0-255），它是最基本的存儲單位。常用的存儲單位有：B、KB、MB、GB、TB等。,比特,最簡單的黑白圖像中,每個像素只有兩種值:黑或白,如下面字母a的放大圖。當計算機存儲這樣的圖片時,它只需記錄圖像中哪些是黑點哪些是白點,也就是比特的組合。,從比特到圖像,0 1 1

10、 1 0,？,0 0 0 0 1,1 0 0 0 1,0 1 1 1 1,1 0 0 0 1,游程編碼：記錄每個白色或黑色連續(xù)區(qū)域的長度。,圖像壓縮,1,3,14,11,40,1,3,10,1,3,11,4,游戲目的 掌握計算機中檢驗數(shù)據(jù)錯誤的奇偶校驗。游戲內容 準備36張卡片，保證每張卡片正反兩面的圖案和顏色不同。學生任意擺放其中25張卡片,你增加一行和一列。然后你背過身去，讓學生任意翻轉一張卡片。游戲結果

11、 您可以猜出學生翻轉的是那一張卡片。使學生掌握計算機中是如何檢驗數(shù)據(jù)錯誤的。,檢測錯誤,翻卡魔術,檢測錯誤,檢測錯誤,翻卡魔術(準備36張卡片,保證每張卡片正反兩面的圖案和顏色不同),玩法：讓學生將卡片放在桌子上,并由他決定每張卡片放置的正反。接著，你可以增加幾張卡片。讓學生翻轉一張卡片，你總能告訴他哪一張卡片是被翻過的。訣竅就在你所增加的幾張卡片。,檢測錯誤,圖中每行有多少張白色的卡片？左下方最后兩張應該是什么顏色的

12、卡片？規(guī)律在那里？ 每行每列白色卡片數(shù)量均為偶數(shù)。,檢測錯誤,檢測錯誤,右圖中卡片組合中，每行和每列的白色卡片，開始均為偶數(shù)？記下現(xiàn)在各行上白色卡片的總數(shù)。哪一行白色卡片的總數(shù)不再為偶數(shù)了呢？記下每列白色卡片總數(shù)。哪一列白色卡片的總數(shù)不再為偶數(shù)了呢？你能判斷出是哪張卡片被翻動過?,,,檢測錯誤,這些被放置的卡片就好比計算機中的比特(0或1),而0和1的組合代表了數(shù)字、字母或圖像。那些新增加的卡片我們稱之為奇偶校驗位。計

13、算機就是通過在數(shù)據(jù)中添加奇偶校驗位來保證數(shù)據(jù)不被隨意修改。利用類似奇偶校驗的方法，可以保護計算機中幾乎所有的數(shù)據(jù)。,當發(fā)生一系列錯誤時，什么情況下計算機能利用奇偶校驗位來檢測并修正錯誤。圖中開始每行每列的白色數(shù)均為偶數(shù)，但有兩張卡片已經翻過了。哪幾行哪幾列處于錯誤狀態(tài)？,發(fā)現(xiàn)更多的錯誤,,,,,我們能檢測到錯誤發(fā)生了，但無法修復它們。,如果計算機接收到一條信息中，提示它可能存在兩個比特的錯誤，那么此時計算機如何處理？ 如

14、果同時發(fā)生兩處錯誤，你無法確定哪個是出錯的比特，你必須讓發(fā)送人重新再發(fā)送一次消息。試著用幾張卡片排列成滿足奇偶檢驗原理的陣列（保證每行和每列的白色卡片均為偶數(shù)）。你能在翻動兩張卡片后，保持每行和每列白色卡片總數(shù)仍為偶數(shù)嗎？ 不能,發(fā)現(xiàn)更多的錯誤,你能做到翻動3張卡片，但不被檢測出來嗎？ 不能翻動4張卡片，但不被檢測出來嗎？ 可以，只要挑選兩行和兩列，翻轉位于行和列交叉處的四張卡片。,發(fā)現(xiàn)更多的錯誤,發(fā)現(xiàn)

15、更多的錯誤,每本書在封底都有一個10位或13位的編號，稱為國際標準書號（ISBN）。ISBN的最后一位數(shù)字稱為計算機校驗碼。2007年1月開始，圖書統(tǒng)一開始使用13位的ISBN。10位編碼原理: 第一位數(shù)字乘以10,第二位數(shù)字乘以9,一直到第9位數(shù)字乘以2，將它們相加的總和除以11，記下余數(shù)。11-余數(shù)為校驗碼。校驗碼值為10，用X代替。,ISBN檢測,ISBN 0-13-911991-4 (0 × 10) + (

16、1 × 9) + (3 × 8) + (9 × 7) + (1 × 6)+ (1 × 5) + (9 × 4) + (9 × 3) + (1 × 2)= 172 172 ÷ 11 = 15 remainder 7 11 – 7 = 4,ISBN檢測,ISBN 0-14-911991-4 (0 × 10) + (1 

17、15; 9) + (4 × 8) + (9 × 7) + (1 × 6)+ (1 × 5) + (9 × 4) + (9 × 3) + (1 × 2)= 180 180 ÷ 11 = 16 remainder 4 11 – 4 = 7,ISBN檢測,如果兩個數(shù)字顛倒了, 0-13-191991-4?你能找出只改變其中一個數(shù)字,并保證最后的校驗

18、碼不變的方法嗎? 不能,ISBN檢測,13位編碼原理: 第1位數(shù)字乘以1,第2位數(shù)字乘以3,第3位數(shù)字乘以1,第4位數(shù)字乘以3, 以次類推，直到12位乘以3,然后將各位相加后,取總和得末位數(shù)字后再減去10即可。如果結果為10取0。ISBN 978-897283571-4 (9 × 1) + (7 × 3) + (8 × 1) + (8 × 3) + (9 × 1)+ (7

19、× 3) + (2 × 1) + (8 × 3) + (3 × 1) + (5 × 3) + (7 × 1) + (1 × 3) = 146 146 ÷ 10 = 14 remainder 6 10 – 6 = 4,ISBN檢測,計算機科學是一門包含各種各樣與計算和信息處理相關主題的系統(tǒng)學科，從抽象的算法分析、形式化語法等，到更具體的主題

20、如編程語言、程序設計、軟件和硬件等。盡管沒有涉及計算機如何工作的全部細節(jié)， 但能培養(yǎng)學生的洞察力。不插電即不用打開計算機，通過游戲學習。不用計算機學會計算機。,CS Unplugged的內涵,游戲教學法 斯賓塞首次提出“剩余精力說”以來，游戲理論層出不窮。游戲在教學中可以被定義為一種有組織的活動。概念 游戲是一種自愿的活動或消遣,這種活動或消遣是在某一固定的時空范圍內進行的;其規(guī)則是游戲者自由接受的,但

21、又有絕對的約束力;游戲以自身為目的而又伴有一種緊張、愉快的情感以及對它“不同于日常生活”的意識。,CS Unplugged的教學方法,教育游戲 能夠培養(yǎng)游戲使用者的知識、技能、智力、情感、態(tài)度、價值觀，并具有一定教育意義的計算機游戲類軟件。理論基礎 游戲是人類文化的載體。 游戲是一種復雜的心理活動（想象、動機、情感體驗及自我控制）。 游戲具有較強綜合能力。,CS Unplugged的教學方法,游戲與教學

22、關系 游戲的本體性與工具性：外在價值與內在價值的統(tǒng)一。 游戲的教學化與教學的游戲化：教學游戲是教學活動與游戲活動的統(tǒng)一。 游戲中的教學與教學中的游戲：雙向滲透。 游戲教學的定位：教學策略。,CS Unplugged的教學方法,游戲教學設計的注意事項 游戲目的、游戲內容、游戲時間 操作形式、操作次數(shù) 學生背景、獎懲制度游戲教學遵循的原則 游戲開展應有一定的目的性。

23、 游戲應有一定的創(chuàng)造性。 游戲開展應具有一定的靈活性。 游戲的形式應多樣化。,CS Unplugged的教學方法,案例一：指法練習學生背景 對象：小學三年級的學生 心理：好玩，好動，好奇，好表現(xiàn)，好表揚。課程內容 指法學習是入門學習計算機的一項非常重要的內容，重要但枯燥。游戲目的 掌握指法要點，指法正確。,游戲教學法的案例,游戲設計 引入《金山打字通》，讓學生們在“警察抓小偷