中小學(xué)培訓(xùn)-不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)

1、不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)教學(xué)方法,新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息技術(shù)分院徐玉蓮,不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)的背景不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)的內(nèi)容不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)的內(nèi)涵實(shí)現(xiàn)“不插電”學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)的教學(xué)方法游戲教學(xué)法的案例,內(nèi)容提要,計(jì)算機(jī)無處不在，無處不用；中小學(xué)生有必要探尋、領(lǐng)悟計(jì)算機(jī)的原理及其解決問題的精妙思想；通過游戲教學(xué)將抽象、復(fù)雜的計(jì)算機(jī)原理形象化、簡單化，使學(xué)生們了解計(jì)算機(jī)工作的基本原理；培養(yǎng)學(xué)生們的“計(jì)算思維”，開發(fā)他們解決

2、問題的方法，自我獲取知識(shí)的能力。,CS Unplugged的背景,CS Unplugged的背景,不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)（Computer Science Unplugged，簡稱Unplugged 項(xiàng)目）是Tim Bell, Mike Fellows and Ian Witten 領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)非贏利性項(xiàng)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(tái)灣和加拿大）。團(tuán)隊(duì)包括的成員或關(guān)鍵組織的成員有ACM K-12 委

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

4、 Enrichment in Computer Science，計(jì)算機(jī)科學(xué)教師強(qiáng)化)?，F(xiàn)在正在建立一個(gè)國際顧問團(tuán)隊(duì)為該項(xiàng)目提供指導(dǎo)，包括K-12 教育的代表（小學(xué)和中學(xué)），專業(yè)團(tuán)隊(duì)（如ACM、CSTA），國際捐助者（如Google、Microsoft）。,不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)是一系列免費(fèi)的學(xué)習(xí)活動(dòng)， Unplugged通過使用卡片、串珠、蠟燭等，穿插有大量的活動(dòng)，參與一些游戲及謎題，達(dá)到學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)的目的。這些活動(dòng)向?qū)W生介紹了計(jì)算機(jī)科

5、學(xué)中的很多概念，像二進(jìn)制數(shù)， 排序算法 以及 數(shù)據(jù)壓縮等，不使用計(jì)算機(jī)，學(xué)生可以學(xué)到計(jì)算機(jī)科學(xué)中的很多思想。不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)適合于各個(gè)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(jì)算機(jī)科學(xué)已經(jīng)超過15年了，無論是在教室、科學(xué)中心、家里，甚至是在公園里，Unplungged 可以作為假日活動(dòng)來進(jìn)行。主要目標(biāo)是將計(jì)算機(jī)科學(xué)（以及通常的計(jì)算）作為一種有趣的、迷人的、智力上刺激的學(xué)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(jì)算機(jī)會(huì)在內(nèi)部處理兩類事情：計(jì)算機(jī)會(huì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)是計(jì)算機(jī)工作時(shí)處理的原材料對象，計(jì)算機(jī)會(huì)將內(nèi)部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(jì)算機(jī)通過一系列指令對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 通過這些指令（即算法）使得計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)科學(xué)的內(nèi)容,二進(jìn)制數(shù)和“比特”,不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)的內(nèi)容,二進(jìn)

7、制數(shù)字游戲,二進(jìn)制數(shù)和“比特”,游戲目的 掌握比特(bit)非0即1 ，二進(jìn)制的性質(zhì)以及二進(jìn)制與數(shù)字之間的轉(zhuǎn)換規(guī)律。游戲內(nèi)容 通過學(xué)生手持卡片的翻轉(zhuǎn)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(jìn)制的性質(zhì)。游戲結(jié)果 比特是計(jì)算機(jī)技術(shù)中一種常用的度量單位，非0即1 ，且容易實(shí)現(xiàn)；從小比特可到大數(shù)字。,二進(jìn)制數(shù)和“比特”,準(zhǔn)備卡片你留意到卡片的規(guī)律沒有?如果向左側(cè)繼續(xù)增加一張卡片,這

8、張卡片需要畫幾個(gè)點(diǎn)?,二進(jìn)制數(shù)和“比特”,數(shù)字6如何表示?,二進(jìn)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(jìn)制數(shù)和“比特”,二進(jìn)制01001表示多少?這些卡片一共有多少個(gè)比特?,二進(jìn)制數(shù)和“比特”,用任意符號(hào)代表二進(jìn)制中的0和1,二進(jìn)制數(shù)和“比特”,生日蛋糕,二進(jìn)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(chǔ)字符；比特表示像素存儲(chǔ)圖像。 字節(jié)是連續(xù)存儲(chǔ)的8比特，可以表示256個(gè)不同的數(shù)值（從0-255），它是最基本的存儲(chǔ)單位。常用的存儲(chǔ)單位有：B、KB、MB、GB、TB等。,比特,最簡單的黑白圖像中,每個(gè)像素只有兩種值:黑或白,如下面字母a的放大圖。當(dāng)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)這樣的圖片時(shí),它只需記錄圖像中哪些是黑點(diǎn)哪些是白點(diǎn),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(gè)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(jì)算機(jī)中檢驗(yàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的奇偶校驗(yàn)。游戲內(nèi)容 準(zhǔn)備36張卡片，保證每張卡片正反兩面的圖案和顏色不同。學(xué)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(xué)生任意翻轉(zhuǎn)一張卡片。游戲結(jié)果

11、 您可以猜出學(xué)生翻轉(zhuǎn)的是那一張卡片。使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)中是如何檢驗(yàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的。,檢測錯(cuò)誤,翻卡魔術(shù),檢測錯(cuò)誤,檢測錯(cuò)誤,翻卡魔術(shù)(準(zhǔn)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(xué)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(xué)生翻轉(zhuǎn)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(cuò)誤,圖中每行有多少張白色的卡片？左下方最后兩張應(yīng)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(cuò)誤,檢測錯(cuò)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(dòng)過?,,,檢測錯(cuò)誤,這些被放置的卡片就好比計(jì)算機(jī)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(yàn)位。計(jì)

13、算機(jī)就是通過在數(shù)據(jù)中添加奇偶校驗(yàn)位來保證數(shù)據(jù)不被隨意修改。利用類似奇偶校驗(yàn)的方法，可以保護(hù)計(jì)算機(jī)中幾乎所有的數(shù)據(jù)。,當(dāng)發(fā)生一系列錯(cuò)誤時(shí)，什么情況下計(jì)算機(jī)能利用奇偶校驗(yàn)位來檢測并修正錯(cuò)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(jīng)翻過了。哪幾行哪幾列處于錯(cuò)誤狀態(tài)？,發(fā)現(xiàn)更多的錯(cuò)誤,,,,,我們能檢測到錯(cuò)誤發(fā)生了，但無法修復(fù)它們。,如果計(jì)算機(jī)接收到一條信息中，提示它可能存在兩個(gè)比特的錯(cuò)誤，那么此時(shí)計(jì)算機(jī)如何處理？ 如

14、果同時(shí)發(fā)生兩處錯(cuò)誤，你無法確定哪個(gè)是出錯(cuò)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(yàn)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(dòng)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(cuò)誤,你能做到翻動(dòng)3張卡片，但不被檢測出來嗎？ 不能翻動(dòng)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(zhuǎn)位于行和列交叉處的四張卡片。,發(fā)現(xiàn)更多的錯(cuò)誤,發(fā)現(xiàn)

15、更多的錯(cuò)誤,每本書在封底都有一個(gè)10位或13位的編號(hào)，稱為國際標(biāo)準(zhǔn)書號(hào)（ISBN）。ISBN的最后一位數(shù)字稱為計(jì)算機(jī)校驗(yàn)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(yàn)碼。校驗(yàn)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(gè)數(shù)字顛倒了, 0-13-191991-4?你能找出只改變其中一個(gè)數(shù)字,并保證最后的校驗(yàn)

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(jié)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(jì)算機(jī)科學(xué)是一門包含各種各樣與計(jì)算和信息處理相關(guān)主題的系統(tǒng)學(xué)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(shè)計(jì)、軟件和硬件等。盡管沒有涉及計(jì)算機(jī)如何工作的全部細(xì)節(jié)， 但能培養(yǎng)學(xué)生的洞察力。不插電即不用打開計(jì)算機(jī)，通過游戲?qū)W習(xí)。不用計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)計(jì)算機(jī)。,CS Unplugged的內(nèi)涵,游戲教學(xué)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(xué)中可以被定義為一種有組織的活動(dòng)。概念 游戲是一種自愿的活動(dòng)或消遣,這種活動(dòng)或消遣是在某一固定的時(shí)空范圍內(nèi)進(jìn)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(shí)。,CS Unplugged的教學(xué)方法,教育游戲 能夠培養(yǎng)游戲使用者的知識(shí)、技能、智力、情感、態(tài)度、價(jià)值觀，并具有一定教育意義的計(jì)算機(jī)游戲類軟件。理論基礎(chǔ) 游戲是人類文化的載體。 游戲是一種復(fù)雜的心理活動(dòng)（想象、動(dòng)機(jī)、情感體驗(yàn)及自我控制）。 游戲具有較強(qiáng)綜合能力。,CS Unplugged的教學(xué)方法,游戲與教學(xué)

22、關(guān)系 游戲的本體性與工具性：外在價(jià)值與內(nèi)在價(jià)值的統(tǒng)一。 游戲的教學(xué)化與教學(xué)的游戲化：教學(xué)游戲是教學(xué)活動(dòng)與游戲活動(dòng)的統(tǒng)一。 游戲中的教學(xué)與教學(xué)中的游戲：雙向滲透。 游戲教學(xué)的定位：教學(xué)策略。,CS Unplugged的教學(xué)方法,游戲教學(xué)設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng) 游戲目的、游戲內(nèi)容、游戲時(shí)間 操作形式、操作次數(shù) 學(xué)生背景、獎(jiǎng)懲制度游戲教學(xué)遵循的原則 游戲開展應(yīng)有一定的目的性。

23、 游戲應(yīng)有一定的創(chuàng)造性。 游戲開展應(yīng)具有一定的靈活性。 游戲的形式應(yīng)多樣化。,CS Unplugged的教學(xué)方法,案例一：指法練習(xí)學(xué)生背景 對象：小學(xué)三年級的學(xué)生 心理：好玩，好動(dòng)，好奇，好表現(xiàn)，好表揚(yáng)。課程內(nèi)容 指法學(xué)習(xí)是入門學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)的一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容，重要但枯燥。游戲目的 掌握指法要點(diǎn)，指法正確。,游戲教學(xué)法的案例,游戲設(shè)計(jì) 引入《金山打字通》，讓學(xué)生們在“警察抓小偷