Вычислительное мышление: необходимый навык для будущих специалистов по данным

Наука о данных занимается решением реальных проблем, поэтому неудивительно, что определенные навыки являются ценным активом в их постоянно развивающемся наборе инструментов. Вычислительное мышление должно стать основным образовательным направлением для любого начинающего специалиста по данным, поскольку оно включает в себя базовые концепции информатики и способы использования абстракции и декомпозиции при решении сложных проблем.

В эпоху цифровых технологий вычислительное мышление является важнейшим навыком не только для будущих ученых, занимающихся данными, но и для всех, кто хочет участвовать в вычислительном мире. По данным Бюро статистики труда США, спрос на рабочие места, связанные с наукой о данных, такие как ученые, занимающиеся компьютерными и информационными исследованиями, будет расти. 22 процента с 2020 по 2029 год — быстрее, чем любое другое занятие.

Чтобы подготовиться к будущему сферы труда и развитию рынка труда, который формируется благодаря повсеместной автоматизации, искусственному интеллекту и машинному обучению, необходимо подчеркнуть навыки вычислительного мышления как ключевой компонент образования и развития карьеры.

Что такое вычислительное мышление?

Вычислительное мышление — это «процесс решения проблем», в ходе которого мозг обучается оценивать и находить разумное решение данной проблемы. В общих чертах, это способность организовать проблему и использовать множество способностей, таких как искусство, творчество и решение проблем, для поиска решения. Понимание того, как компьютер решает задачу, предполагает выполнение одно за другим основных действий, которые идеально повторяются в природе.

Объяснение вычислительного мышления

Вычислительное мышление, которое иногда называют алгоритмическим мышлением, представляет собой систематический подход к решению сложной проблемы путем разбиения ее на более мелкие и простые шаги таким образом, чтобы их мог выполнить компьютер или машина. Решение проблемы таким образом, чтобы компьютер мог выполнить процесс, важно, поскольку это означает, что решение можно применить к аналогичным проблемам в других сценариях. Частью вычислительного мышления является применение гибкого, творческого и адаптируемого мышления для наиболее эффективной работы над проблемами и потенциальными решениями, а также эффективного использования и интерпретации данных.

Вычислительное мышление зарождается от типа мышления, используемого учеными-компьютерщиками, но признан методом мышления, который каждый может использовать для решения проблем как в личной, так и в профессиональной жизни. Таким образом, дело не в том, чтобы применять рассуждения, имитирующие компьютеры, а в разработке методов решения проблем, на которые обычно полагаются ученые-компьютерщики.

Многочисленные количественные проблемы, требующие больших объемов данных, можно решить с помощью вычислительного мышления, что делает его важным преимуществом для специалистов по данным. Этот подход можно применять для решения проблем во многих областях, таких как, например, искусственный интеллект и математика. Язык программирования Python также важен в этом процессе, поскольку он используется в процессе статистического анализа для выражения решения на компьютере.

В целом можно выделить четыре столпа вычислительного мышления:

• Декомпозиция: сокращение сложной проблемы на более незначительные части.
• Распознавание образов: поиск любых сходств в задачах.
• Абстракция: Сосредоточение внимания только на самой важной информации и игнорирование более несущественных частей информации.
• Алгоритмы: создание обдуманного, пошагового решения или правил для решения проблемы.

Обычно вычислительное мышление можно применять к высокоструктурированным задачам; например, рамки для конкретной проблемы требует высокоструктурированного решения, такого как алгоритм. Повторяющиеся задачи также идеально подходят для подхода, основанного на вычислительном мышлении.

Образовательные системы сосредотачиваются на предложении учебных программ, включающих в себя методы вычислительного мышления. Новая Зеландия, Австралия, Южная Африка и другие страны уже начали включить вычислительное мышление в учебные программы для классов K-12, а образовательные системы по всей территории США также все чаще включают курсы, посвященные вычислительному мышлению.

Поскольку наш мир становится все более взаимосвязанным и движется к цифровой экономике, навыки критического мышления и образ мышления будут иметь важное значение для поддержки новых способов работы и взаимодействия с технологиями для стимулирования новых инновационных услуг, решений и инструментов в различных контекстах.

Навыки вычислительного мышления

Навыки вычислительного мышления требуют тщательного исследования и анализа проблем, чтобы правильно их понять. Чтобы выразить как проблемы, так и ответы, используйте ясный и описательный язык. На каждом уровне процесса обеспечьте явную логику.

Методы вычислительного мышления

Мы разработали семь мощных тактик вычислительного мышления, чтобы наделить молодых новаторов важнейшими способностями к решению проблем и помочь детям подготовиться к будущему. Студенты, которые последуют этим рекомендациям, приобретут необходимые навыки и будут готовы к будущему.

• Смотри, слушай и учись (собирай данные)

Первый шаг в решении любой проблемы — это выяснить, что вы знаете. Вычислительное мышление предполагает определение того, какие источники данных использовать и какие данные являются наиболее актуальными. Например, чтобы решить математическую задачу, учащиеся могут собрать количественные данные о явлении, а затем применить математические инструменты, чтобы определить, как решить проблему.

• Задавайте вопросы (анализируйте данные)

Когда мы оцениваем данные, легче понять, как они вписываются в более широкий контекст проблемы. Отличный метод проверки гипотезы — использование визуальных средств, таких как диаграммы и статистические инструменты. Учащиеся должны составлять диаграммы и наглядные изображения, чтобы подкрепить свои взгляды и сообщить факты. Студенты должны оценить факты, которые они собрали, чтобы определить, что важно для демонстрации их гипотезы или основных понятий.

• Понять проблему (найти закономерности)

Одним из преимуществ наличия данных для работы является обнаружение в них закономерностей. Делать прогнозы и разрабатывать рекомендации для решения дополнительных проблем становится проще, когда обнаруживаются закономерности. Учащиеся могут предсказать, что произойдет дальше, определяя темы и связи.

• Необходимо знать (разложить проблемы)

Студенты должны уметь решать сложные задачи. Легче найти ответы, когда задачи разбиты на управляемые части. Деконструкция проблем на более мелкие компоненты облегчает потребление и классификацию информации.

При возникновении проблемы предложите учащимся рассмотреть более широкую картину. У них останется решение, которое подойдет для решения различных задач, если они найдут общие черты и уберут детали.

• Создать прототип (построить модели)

Поощряйте учащихся тестировать, изменять и совершенствовать идеи, используя инструменты проектирования для прогнозирования результатов и одновременно обсуждая, как построить эффективную модель. Они сэкономят время и получат полное представление о смоделированных концепциях, прежде чем реализовывать их в реальной жизни.

• Выделить и исправить (разработать алгоритмы)

Рассматривайте решение проблем как план действий для выполнения задачи. Когда учащиеся могут составлять ответы с помощью пошаговых инструкций, они создают алгоритм, который можно использовать для решения будущих задач.

Примеры вычислительного мышления

Наша повседневная жизнь полна задач, требующих вычислительного мышления. Оглядываясь вокруг, мы видим множество проблем, которые необходимо решить. Вычислительное мышление используется в реальном мире в любом деле, требующем последовательности шагов. Это может варьироваться от покупки автомобилей до бронирования билетов в кино и обеденных столов.

Рассмотрим случай покупки нового автомобиля в рамках вашего бюджета. Сначала мы разделим средства и определим различные возможности. Основываясь на фактах и ​​консенсусе, мы теперь выбираем тип топлива и цвет квадроцикла. В результате мы исключаем любые возможности, которые больше не актуальны. Переходим к следующему этапу рассмотрения отзывов экспертов и необходимых функций. Едем на тест-драйв, чтобы выбрать лучший вариант.

Простые действия, такие как поход в кино и ужин, требуют вычислительного мышления. Мы должны выбрать ресторан и киносеанс и рассчитать время для них так, чтобы их обоих заметили.

Декомпозиция в вычислительном мышлении

Декомпозиция — это первый шаг в вычислительном мышлении. Это процесс разделения сложных утверждений на более мелкие части. Это делает достижение желаемого результата простым и достижимым.

Знание техники декомпозиции жизненно важно, поскольку позволяет уловить мелкие детали более крупного изображения. Благодаря этому ребенок учится думать как машина и решать сложные задачи.

Студент-медик, например, знает работу многих органов человеческого тела, чтобы понять человеческое тело в целом.

Напротив, студент-математик разбивает уравнение на четкие компоненты и решает его по частям, чтобы получить решение.

Точно так же это работает и в информатике при создании игры. В результате дизайнер должен создать персонажа, повествование, действия и т. д., чтобы игра функционировала.

Распознавание образов в вычислительном мышлении

Другая часть этого навыка — распознавание образов. Распознавание образов зависит от способности ребенка интерпретировать объекты и визуальные эффекты.

Ребенок может наблюдать сходства и различия. И любой ребенок может придумать следующий ход, используя этот талант. Это существенно влияет на способность ребенка смешивать несколько моделей и получать следующий результат.

Распознавание образов весьма полезно для принятия определенных суждений. Становится легче справляться с различными ситуациями.

Распознавание образов имеет решающее значение в компьютерах. Искусственный интеллект в последнее время добился значительных успехов. Нейронные сети — один из таких предметов, где мы можем обнаружить закономерности в работе.

Нейронная сеть — это набор алгоритмов, которые обнаруживают основные взаимосвязи в пакете данных, используя метод, аналогичный тому, как работает человеческий мозг. Мы можем наблюдать, как компьютер обнаруживает и использует шаблоны для работы. Точно так же, изучая закономерности, дети могут принимать решения и добиваться результатов.

Абстракция в вычислительном мышлении

Одним из столпов информатики или вычислительного мышления является абстракция. Это процесс удаления ненужных частей из чего-либо. Он просто сохраняет то, что необходимо, на месте.

Речь идет о сохранении ценных данных и элементов для уменьшения сложности и повышения производительности. Это помогает нам расставлять приоритеты в задачах и тщательно их выполнять. Мы можем упростить проблему, используя абстракцию. Он сохраняет то, что важно, и отбрасывает то, что не является таковым.

Это позволяет нам быстро решать проблемы, не придавая лишнего значения неважным деталям. Это дает нам значимость и ясность объекта.

Например, если вы хотите изучить тему из книги, прочитаете ли вы всю книгу? Не правда ли? Вы будете читать только об этой теме. На практике именно так работает абстракция.

Алгоритмы в вычислительном мышлении

Одним из наиболее фундаментальных краеугольных камней этого навыка являются алгоритмы. Алгоритмическое мышление помогает найти решение проблемы. Это достигается использованием конкретных шагов.

В общем, алгоритмическое мышление предполагает решение проблемы путем разработки определенных процедур, которые необходимо выполнить. Алгоритмы — это правила, разработанные одним человеком для решения сопоставимых ситуаций.

Например, в школах учащихся учат делить и умножать. Алгоритмы — это то, чему они учатся.

Учащиеся, понимающие алгоритмы умножения, могут выполнить умножение любого целого числа. Алгоритмы позволяют системам самоавтоматизироваться без создания новых шаблонов.

Микро-кредиты для вычислительного мышления

Итак, микрокредит — это, по сути, цифровой сертификат, который подтверждает владение человеком определенным навыком или комбинацией способностей. Учителя должны предоставить доказательства работы учащихся в ходе занятий в классе, а также документацию об размышлениях и планировании урока для получения микроаттестата. Поскольку большинству преподавателей необходимо ознакомиться с интеграцией вычислительного мышления, микроаттестации могут способствовать профессиональному росту и/или повышению квалификации. Simplilearn разработала микрокредиты для практик вычислительного мышления. Поскольку о степени развития у учащихся основных способностей можно судить только после того, как они проявятся посредством прикладной практики, эти микрокредиты структурированы вокруг практик.

Вычислительное мышление для развивающегося будущего сферы труда

Следующему поколению специалистов по данным необходимо развивать навыки, которые помогут им лучше адаптироваться к меняющемуся рынку труда и развивающейся цифровой экономике. Вычислительное мышление окажется ценным ресурсом для будущих ученых, занимающихся данными, которым придется постоянно менять свою роль в связи с развитием технологий и более тесной интеграцией между людьми и машинами.

Для получения дополнительной информации о вычислительном мышлении и возможностях изучения науки о данных посетите программу последипломного образования Калифорнийского технологического института Simplilearn в области науки о данных.