中小学培训-不插电的计算机科学

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1、不插电的计算机科学教学方法,新疆农业职业技术学院 信息技术分院 徐玉莲,不插电的计算机科学的背景 不插电的计算机科学的内容 不插电的计算机科学的内涵 实现“不插电”学习计算机科学的教学方法 游戏教学法的案例,内容提要,计算机无处不在，无处不用； 中小学生有必要探寻、领悟计算机的原理及其解决问题的精妙思想； 通过游戏教学将抽象、复杂的计算机原理形象化、简单化，使学生们了解计算机工作的基本原理； 培养学生们的“计算思维”，开发他们解决问题的方法，自我获取知识的能力。,CS Unplugged的背景,CS Unplugged的背景,不插电的计算机科学（Computer Science Unplugg

2、ed，简称Unplugged 项目）是Tim Bell, Mike Fellows and Ian Witten 领导的一个非赢利性项目，在很多国家都有捐助者（包括新西兰、美国、瑞典、澳大利亚、中国、韩国、台湾和加拿大）。团队包括的成员或关键组织的成员有ACM K-12 委员会、ACM 课程委员会、CSTA（CS 教师协会），也包括那些将此项目作为他们研究的校长、教师、大学outreach coordinators，研究生等。它链接到Google 赞助的CS4ALL 项目（UW、CMU 和UCLS），并将为一些项目提供资源和支持，如NCWIT（National Centerfor Women

3、& Information Technology ， 妇女与信息技术国家中心） 和TECS(Teacher Enrichment in Computer Science，计算机科学教师强化)。现在正在建立一个国际顾问团队为该项目提供指导，包括K-12 教育的代表（小学和中学），专业团队（如ACM、CSTA），国际捐助者（如Google、Microsoft）。,不插电的计算机科学是一系列免费的学习活动， Unplugged通过使用卡片、串珠、蜡烛等，穿插有大量的活动，参与一些游戏及谜题，达到学习计算机科学的目的。 这些活动向学生介绍了计算机科学中的很多概念，像二进制数， 排序算法 以及 数据压缩

4、等，不使用计算机，学生可以学到计算机科学中的很多思想。 不插电的计算机科学适合于各个年龄阶段的人，从孩子到老人，从城市到乡村。在世界各地，人们使用不插电的计算机科学已经超过15年了，无论是在教室、科学中心、家里，甚至是在公园里，Unplungged 可以作为假日活动来进行。 主要目标是将计算机科学（以及通常的计算）作为一种有趣的、迷人的、智力上刺激的学科，从而向年轻人推广。,CS Unplugged的背景,为了满足人们的需要，计算机会在内部处理两类事情： 计算机会存储数据数据是计算机工作时处理的原材料对象，计算机会将内部数据转换为人们可以理解的信息（如：数字、词语和图像）。(第1-7章) 计算

5、机通过一系列指令对数据进行处理通过这些指令（即算法）使得计算机能够解决许多问题（如：排序、查询、发送及传输信息）。 (第8-15章),不插电的计算机科学的内容,二进制数和“比特”,不插电的计算机科学的内容,二进制数字游戏,二进制数和“比特”,游戏目的掌握比特(bit)非0即1 ，二进制的性质以及二进制与数字之间的转换规律。 游戏内容通过学生手持卡片的翻转反面和正面，代替比特的 “0”、“1”变化；通过人数的变化，说明二进制的性质。 游戏结果比特是计算机技术中一种常用的度量单位，非0即1 ，且容易实现；从小比特可到大数字。,二进制数和“比特”,准备卡片 你留意到卡片的规律没有? 如果向左侧继续增

6、加一张卡片,这张卡片需要画几个点?,二进制数和“比特”,数字6如何表示?,二进制数和“比特”,数字0-9如何表示? 任何数字能用不止一种方法来表示吗? 5张卡片能表示的最大数字是多少? 能表示的最小数字是多少?,二进制数和“比特”,二进制01001表示多少?这些卡片一共有多少个比特?,二进制数和“比特”,用任意符号代表二进制中的0和1,二进制数和“比特”,生日蛋糕,二进制数和“比特”,Born August 2, 1970,探寻比特还可以表示字母、图像，如：ASCII码或Unicode码来存储字符；比特表示像素存储图像。字节是连续存储的8比特，可以表示256个不同的数值（从0-255），它是最

7、基本的存储单位。常用的存储单位有：B、KB、MB、GB、TB等。,比特,最简单的黑白图像中,每个像素只有两种值:黑或白,如下面字母a的放大图。当计算机存储这样的图片时,它只需记录图像中哪些是黑点哪些是白点,也就是比特的组合。,从比特到图像,0 1 1 1 0,？,0 0 0 0 1,1 0 0 0 1,0 1 1 1 1,1 0 0 0 1,游程编码：记录每个白色或黑色连续区域的长度。,图像压缩,1,3,1 4,1 1,4 0,1,3,1 0,1,3,1 1,4,游戏目的掌握计算机中检验数据错误的奇偶校验。 游戏内容准备36张卡片，保证每张卡片正反两面的图案和颜色不同。学生任意摆放其中25张卡

8、片,你增加一行和一列。然后你背过身去，让学生任意翻转一张卡片。 游戏结果您可以猜出学生翻转的是那一张卡片。使学生掌握计算机中是如何检验数据错误的。,检测错误,翻卡魔术,检测错误,检测错误,翻卡魔术(准备36张卡片,保证每张卡片正反两面的图案和颜色不同),玩法： 让学生将卡片放在桌子上,并由他决定每张卡片放置的正反。 接着，你可以增加几张卡片。 让学生翻转一张卡片，你总能告诉他哪一张卡片是被翻过的。 诀窍就在你所增加的几张卡片。,检测错误,图中每行有多少张白色的卡片？ 左下方最后两张应该是什么颜色的卡片？ 规律在那里？每行每列白色卡片数量均为偶数。,检测错误,检测错误,右图中卡片组合中，每行和每

9、列的白色卡片，开始均为偶数？记下现在各行上白色卡片的总数。 哪一行白色卡片的总数不再为偶数了呢？ 记下每列白色卡片总数。 哪一列白色卡片的总数不再为偶数了呢？ 你能判断出是哪张卡片被翻动过?,检测错误,这些被放置的卡片就好比计算机中的比特(0或1),而0和1的组合代表了数字、字母或图像。那些新增加的卡片我们称之为奇偶校验位。计算机就是通过在数据中添加奇偶校验位来保证数据不被随意修改。 利用类似奇偶校验的方法，可以保护计算机中几乎所有的数据。,当发生一系列错误时，什么情况下计算机能利用奇偶校验位来检测并修正错误。 图中开始每行每列的白色数均为偶数，但有两张卡片已经翻过了。 哪几行哪几列处于错误状

10、态？,发现更多的错误,我们能检测到错误发生了，但无法修复它们。,如果计算机接收到一条信息中，提示它可能存在两个比特的错误，那么此时计算机如何处理？如果同时发生两处错误，你无法确定哪个是出错的比特，你必须让发送人重新再发送一次消息。 试着用几张卡片排列成满足奇偶检验原理的阵列（保证每行和每列的白色卡片均为偶数）。你能在翻动两张卡片后，保持每行和每列白色卡片总数仍为偶数吗？不能,发现更多的错误,你能做到翻动3张卡片，但不被检测出来吗？不能 翻动4张卡片，但不被检测出来吗？可以，只要挑选两行和两列，翻转位于行和列交叉处的四张卡片。,发现更多的错误,发现更多的错误,每本书在封底都有一个10位或13位的

11、编号，称为国际标准书号（ISBN）。 ISBN的最后一位数字称为计算机校验码。 2007年1月开始，图书统一开始使用13位的ISBN。 10位编码原理: 第一位数字乘以10,第二位数字乘以9,一直到第9位数字乘以2，将它们相加的总和除以11，记下余数。11-余数为校验码。 校验码值为10，用X代替。,ISBN检测,ISBN 0-13-911991-4(0 10) + (1 9) + (3 8) + (9 7) + (1 6)+ (1 5) + (9 4) + (9 3) + (1 2) = 172172 11 = 15 remainder 711 7 = 4,ISBN检测,ISBN 0-14-

12、911991-4(0 10) + (1 9) + (4 8) + (9 7) + (1 6)+ (1 5) + (9 4) + (9 3) + (1 2) = 180180 11 = 16 remainder 411 4 = 7,ISBN检测,如果两个数字颠倒了, 0-13-191991-4? 你能找出只改变其中一个数字,并保证最后的校验码不变的方法吗?不能,ISBN检测,13位编码原理: 第1位数字乘以1,第2位数字乘以3,第3位数字乘以1,第4位数字乘以3, 以次类推，直到12位乘以3,然后将各位相加后,取总和得末位数字后再减去10即可。如果结果为10取0。 ISBN 978-897283

13、571-4(9 1) + (7 3) + (8 1) + (8 3) + (9 1)+ (7 3) + (2 1) + (8 3) + (3 1) + (5 3) + (7 1) + (1 3)= 146146 10 = 14 remainder 610 6 = 4,ISBN检测,计算机科学是一门包含各种各样与计算和信息处理相关主题的系统学科，从抽象的算法分析、形式化语法等，到更具体的主题如编程语言、程序设计、软件和硬件等。 尽管没有涉及计算机如何工作的全部细节， 但能培养学生的洞察力。 不插电即不用打开计算机，通过游戏学习。 不用计算机学会计算机。,CS Unplugged的内涵,游戏教学法

14、斯宾塞首次提出“剩余精力说”以来，游戏理论层出不穷。游戏在教学中可以被定义为一种有组织的活动。 概念游戏是一种自愿的活动或消遣,这种活动或消遣是在某一固定的时空范围内进行的;其规则是游戏者自由接受的,但又有绝对的约束力;游戏以自身为目的而又伴有一种紧张、愉快的情感以及对它“不同于日常生活”的意识。,CS Unplugged的教学方法,教育游戏能够培养游戏使用者的知识、技能、智力、情感、态度、价值观，并具有一定教育意义的计算机游戏类软件。 理论基础游戏是人类文化的载体。游戏是一种复杂的心理活动（想象、动机、情感体验及自我控制）。游戏具有较强综合能力。,CS Unplugged的教学方法,游戏与教

15、学关系游戏的本体性与工具性：外在价值与内在价值的统一。游戏的教学化与教学的游戏化：教学游戏是教学活动与游戏活动的统一。游戏中的教学与教学中的游戏：双向渗透。游戏教学的定位：教学策略。,CS Unplugged的教学方法,游戏教学设计的注意事项游戏目的、游戏内容、游戏时间操作形式、操作次数学生背景、奖惩制度 游戏教学遵循的原则游戏开展应有一定的目的性。 游戏应有一定的创造性。 游戏开展应具有一定的灵活性。 游戏的形式应多样化。,CS Unplugged的教学方法,案例一：指法练习 学生背景对象：小学三年级的学生 心理：好玩，好动，好奇，好表现，好表扬。 课程内容指法学习是入门学习计算机的一项非常重要的内容，重要但枯燥。 游戏目的掌握指法要点，指法正确。,游戏教学法的案例,游戏设计引入金山打字通，让学生们在“警察抓小偷”、“打地鼠”等游戏为取得好成绩受到表扬而反复练习指法的实践中去掌握指法。 奖惩措施教师表扬。,游戏教学法的案例一,http:/csunplugged.org/zh-hans 孙俊峰，杨帆译.不插电的计算机科学,华中科技大学出版社,参考资料,谢谢 THANKS,