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清华大学顾学雍:软硬兼施的计算思维是STEM教育的基础

2018-7-27 17:08| 发布者: admin| 查看: 3| 评论: 0

摘要:   2018年6月30日-7月2日,第二届中国STEM教育发展大会在深圳福田圆满召开。本届大会,由中国教育科学研究院、广东省教育研究院与深圳市福田区教育局联合主办,香港STEM教育联盟、香港教育工作者联会、金地(集团)股 ...

  2018年6月30日-7月2日,第二届中国STEM教育发展大会在深圳福田圆满召开。本届大会,由中国教育科学研究院、广东省教育研究院与深圳市福田区教育局联合主办,香港STEM教育联盟、香港教育工作者联会、金地(集团)股份有限公司协办,中关村互联网教育创新中心、深圳市福田教育科学研究院共同承办。来自政府部门、学校、科研机构、企业代表以及国内外STEM教育专家开展了积极地分享交流,深入探索中国STEM教育的实践路径,努力让STEM教育惠及最广泛的学生群体,让科学思维与创新能力成为每一个孩子的成长基因。

  

  顾学雍丨清华大学工业训练中心副主任

  ▲本文整理自顾学雍在第二届中国STEM教育发展大会上的主旨报告,以下为口述整理:

  为什么要谈计算思维?习近平总书记书架中存放有《终极算法》一书,其中第25页提及很重要的一句话,即“就像STEM一样,把科学、技术、工程、数学统统融合到一个课程体系里来”。《终极算法》这本书讲到,经过单一的算法,一个算法只要不断地把数据塞给它,它能够知道过去、现在、未来所有的知识。很多人对此感兴趣。

  计算思维课程体系的研发与意义

  如果要做很好的STEM,我们希望给所有的学生提供一套非常完备的知识体系,且能够贯穿所有的知识。一年多前,教育部给了我一个计算思维课程体系的项目,希望在三年之内开发出一个适合所有年龄层、所有专业的一套基于计算思维的全新的知识体系。换言之,它不仅只针对中小学学习,还面向大学生,甚至对教师也有一套知识体系。在国际化趋势下,今天我特别把课程的内容用英文的方式进行表述,希望学生或者读这门课程体系的人,能够从宏观的产业前沿、中观的计算思维以及微观的领域测定这些专业技术上面来有所理解,之后再有入学引导和实际的工作项目,这些项目清华附中做了很多次的实践。

  为了让学生真正学到一套能够实际操作,且与产业的知识体系直接相关的内容,我们搜寻到一门课,在网络上、在斯坦福大学他们开发出的一套课程体系。这门课的学习已经规模化,在12周时间内,让任何没有一点基础的人,从电晶体开始做逻辑闸门、内存、CPU、做自己的虚拟机、操作系统、高阶编程语言,最后写一个小的游戏,依据课程所讲每一周只要花5小时就能够一层一层搭建一个完整的计算系统。我认为这个课程不仅能够让所有的学生了解知识的体系,更重要的是能够知道一个复杂工程的项目结构。

  已有二三十万的人在做这门课程了,那么有什么意义呢?我认为它不应该只面向大学生,而应给所有没有任何知识背景的人做,让他们能够了解计算机的复杂系统,懂得从底层的电子电路到上层的复杂软件结构是如何拼凑在一起的。我们请了一个60岁的老学生,两个小朋友以及他们的妈妈一起参加初期的实验(见图1)。希望他们在16周的时间内做一个具有挑战性的游戏——围棋游戏,最好能够下得过职业世界冠军的选手。

  

图1:8岁到60岁

  我儿子和他的同学,一个8岁、一个10岁,已开始做扎扎实实的硬件的语言、描述逻辑闸门相关知识等,他们还与清华大四毕业的学生合作做一些加法器,他们真的使用逻辑闸门凑出了一个4bit的加法器(见图2)。

  图2

  我们了解了清华自动化系本科应届毕业生、北大中文系本科四年级、职业技术学校毕业生参与项目的感受以及他们的变化。小学生能学到什么是我们所关心的,其中一个8岁的小学生能单独将8分钟(骇客电脑的内部控制逻辑)。不同年龄层的人相互之间可以拿到现成的教材,能够学一个相对来讲非常复杂的大学本科四年级专门干这一行的人都觉得工程量非常大的一个项目。

  软硬兼施的计算思维

  经过3—4年,我们这个学期已经是第4次上这门课了,在清华也是给一年级、二年级开的一门课。我们的目标不只是让他们学从逻辑、算术、工程、数学的角度来看这一套系统,希望他们能够编写出一套操作手册或者教学内容,让后面的学生能够学习。

  我们的学生不仅自己学会了这门课程,他们还能够从自己的角度描述这门课程该怎么学。这是8位学生从他们的角度每人选的一章,重新写的大概一百多页的课本(见图3)。其中我最得意的一件事是第9章使用的案例,是真正使用16位元的超级简单的电脑,做的一个可以互动的围棋界面,所以我们真的可以用这个完全从电晶体构造起来的最基本的计算机来下围棋。

  

  图3

  说到这里,我们也在思考能不能将人工智能融合进来?上这门课之前,我找了一位非常有名的专家Theodore Gray(见图4),他是一款非常有名的软件的共同创始人,作为化学家有很多的出版物,包括很多工程方面的。他多次在我的课堂中,向学生讲述怎样做复杂的软件。换言之,现在软件系统不光只是把复杂的系统做出来,如果你可以编译非常复杂的软件系统,那么就可以做非常复杂的工程甚至制造系统。

  

  图4

  一个课程的内容不但可以启发学生学会相应的知识,甚至可以让学生把这个产品商品化,然后让原来只会下围棋的围棋手与其他的软件工程师合作,把围棋教室转变成一个教人工智能的教室。

  教授这门课的过程中,我们发现一个更重要的事实,复杂的系统尤其是图文完备的一套计算机,它在最底层的所有逻辑元器件其实就像一个棋盘。2014年两位非常有名的物理学家证明深度学习的逻辑闸门、深度学习的神经网络的结构,它的基本的数学结构就是量子力学做重整化群的算法。重整化群的算法规则其实就是围棋子多为胜的统计规则(见图5)。

  

  图5

  我们可以让孩子从3—5岁开始,把非常复杂的基本计算知识,从最底层在玩游戏过程当中建构一个复杂的软件、硬件系统,而且知道它真正意义上的物理跟数学的本质结构,最后能够把它变成游戏,甚至变成一个商品化的产物。

  计算思维:STEM教育的基础

  学习的目的不只是让单一的个体学习,而是希望学习者跟不同年龄层的人、与不同知识体系的对象能够发生对话、交流,能够互补地把知识凑成一个让整个社会体系能够共同学习的系统,包括把它出版成一本教科书,而且这本教科书可以使用软件系统不断地迭代。我们希望能够让全部的学生参与编撰课程的内容,可以使不同的人经由不同的视角和路径看到知识的体系。

  计算思维在STEM里面绝对是直接跟M相关的;计算思维是一种艺术,与STEAM中的A相关;计算思维是一种科学,与S相关;计算思维是一种技术,与T是相关。不管是终极算法还是STEM,不管是看别人的文献或者是我们写的可以出版的文献,都是STEM知识的一种训练。

  从网络的这门课程,从俄罗斯方块到围棋,我们可以不断地在一套课程底下寻找到更底层的能够贯穿整个知识体系的一套内容,从而可以把不同年龄层、不同技能,包括世界冠军的围棋选手都带到课堂里面,彼此相互交流。

  

  图六

  在王殿军校长的支持下,在清华附中我最得意的事情是这一点,最左边的围棋界面是我编写的(见图6),为什么这个很重要呢?因为我使用了一个完全不同的编成语言,比前面所用的C语言、硬件描述语言更复杂一点,但更重要的是它适合做更复杂的STEM的教学,而且最适合中小学生应用。我会继续同各种各样不同年龄层的人交流,希望把它变成一个真正的STEM教育的,全世界人都能够一起共同分享的基础建设。


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