تفکر محاسباتی چیست؟ راهنمای کامل برای والدین

تفکر محاسباتی (Computational Thinking)، که با نام تفکر رایانشی هم شناخته می شود، روشی برای نگاه کردن به مسئله هاست؛ روشی که به کودک کمک می کند یک مسئله بزرگ و مبهم را به بخش های کوچک تر تقسیم کند، اطلاعات مهم را تشخیص دهد، برای حل مسئله مراحل مشخص بنویسد و در نهایت راه حل خود را آزمایش و اصلاح کند. این مهارت فقط یک مفهوم تئوری نیست و ارتباط مستقیم با مهارت حل مسئله در کودکان دارد، چون اساس حل مسئله در کودکان بر همین نوع تفکر مرحله به مرحله شکل می گیرد. از طرف دیگر، درک بهتر این مفهوم به فهم تفکر منطقی هم کمک می کند، چون تحلیل، مقایسه و انتخاب راه حل ها بدون تفکر منطقی ممکن نیست. این رویکرد یکی از پایه های اصلی مهارت های قرن ۲۱ برای کودکان است، چون توانایی تحلیل داده، تصمیم گیری و حل مسئله برای آینده کودکان اهمیت زیادی دارد. تفکر محاسباتی یکی از مهارت‌هایی است که در کنار توانایی‌هایی مثل حل مسئله، خلاقیت، ارتباط موثر و تصمیم‌گیری، به رشد مهارت های نرم کودکان کمک می‌کند. این مهارت‌ها باعث می‌شوند کودک فقط مصرف‌کننده فناوری نباشد و بتواند با ذهنی تحلیل‌گر با مسائل مختلف زندگی روبه‌رو شود.

به زبان ساده، تفکر محاسباتی یعنی:

این راه حل ممکن است توسط رایانه اجرا شود، اما همیشه به رایانه نیاز ندارد. یک کودک می تواند هنگام ساختن لگو، پیدا کردن وسیله گمشده، طراحی بازی، برنامه ریزی برای سفر یا حل یک مسئله ریاضی نیز از تفکر محاسباتی استفاده کند.

تفکر محاسباتی چه تفاوتی با برنامه نویسی دارد؟

تفکر محاسباتی و برنامه نویسی به هم مرتبط اند، اما یک چیز نیستند. برنامه نویسی یعنی نوشتن دستورهایی که رایانه آن ها را اجرا کند. اگر می‌خواهید با مفهوم برنامه‌نویسی برای کودکان و کاربردهای آن بیشتر آشنا شوید، مقاله برنامه نویسی چیست را بخوانید تفکر محاسباتی یعنی طراحی راه حل، قبل از نوشتن آن دستورها.

برای مثال، کودکی که می خواهد یک بازی ساده بسازد، ابتدا باید تصمیم بگیرد:

• هدف بازی چیست؟
• بازیکن چگونه حرکت می کند؟
• چه زمانی امتیاز می گیرد؟
• چه زمانی بازی تمام می شود؟
• اگر چیزی درست کار نکرد، از کجا باید مشکل را پیدا کند؟

این فرایند، تفکر محاسباتی است. نوشتن بلوک های اسکرچ یا کد پایتون، مرحله بعدی آن است.

وقتی نوبت به نوشتن کد می رسد، همان تصمیم های بالا به قالب های مشخصی در زبان برنامه نویسی تبدیل می شوند. «هدف بازی چیست» به یک متغیر (variable) برای نگه داشتن امتیاز تبدیل می شود؛ «بازیکن چگونه حرکت می کند» به یک حلقه (loop) که مدام موقعیت شخصیت را به روزرسانی می کند؛ و «چه زمانی امتیاز می گیرد» به یک شرط (conditional) که بررسی می کند آیا برخورد اتفاق افتاده یا نه. کودکی که قبل از این مرحله، تفکر محاسباتی را تمرین کرده باشد، وقتی با این مفاهیم روبه رو می شود گیج نمی شود؛ چون از قبل می داند دنبال چه چیزی است، فقط باید نام فنی آن را یاد بگیرد.

بنابراین برنامه نویسی یکی از بهترین ابزارها برای تمرین تفکر محاسباتی است، اما تنها راه یادگیری آن نیست.

چرا تفکر محاسباتی برای کودکان مهم است؟

کودکان امروز فقط مصرف کننده فناوری نیستند. آن ها با هوش مصنوعی، بازی های دیجیتال، شبکه های اجتماعی، داده ها و ابزارهای آنلاین زندگی می کنند. برای استفاده آگاهانه از این ابزارها، فقط بلد بودن کار با گوشی یا رایانه کافی نیست.

کودک باید یاد بگیرد:

• مسئله را دقیق تعریف کند.
• اطلاعات مهم را از اطلاعات اضافی جدا کند.
• برای رسیدن به جواب، مراحل منطقی بچیند.
• خروجی یک ابزار یا هوش مصنوعی را بدون بررسی نپذیرد.
• اشتباه را بخشی طبیعی از یادگیری بداند.
• راه حل خود را توضیح دهد و از آن دفاع کند.

تفکر محاسباتی قرار نیست کودک را از همان ابتدا برنامه نویس حرفه ای کند. هدف اصلی، ساختن کودکی است که هنگام روبه رو شدن با مسئله، سردرگم نشود و بتواند برای حل آن برنامه ریزی کند.

به همین دلیل، این مهارت دیگر یک انتخاب جانبی در آموزش نیست. انجمن معلمان علوم رایانه آمریکا (CSTA) استانداردهای تفکر محاسباتی را برای پایه های مختلف تحصیلی تدوین کرده و چارچوب K-12 Computer Science Framework هم آن را یکی از ستون های سواد دیجیتال قرن بیست و یکم می داند. شورای پژوهش های ملی آمریکا (National Research Council) نیز در گزارش خود، این توانایی را جزو شایستگی های پایه ای می شمارد که کودکان برای زندگی و کار در دنیای پر از داده به آن نیاز دارند؛ نه فقط برای کسانی که در آینده برنامه نویس می شوند.
تفکر محاسباتی مستقیم روی مهارت ریاضی کودک هم اثر می گذارد. وقتی کودک یاد می گیرد یک مسئله بزرگ را به بخش های کوچک تر تقسیم کند، الگوهای تکراری را ببیند و برای رسیدن به جواب مراحل مشخص بچیند، دقیقا همان مهارت هایی را تمرین می کند که برای حل مسئله های ریاضی هم لازم است. به همین دلیل بچه هایی که تفکر محاسباتی را تمرین کرده اند، معمولا در برخورد با یک مسئله ریاضی جدید کمتر گیج می شوند و سریع تر می فهمند از کجا باید شروع کنند. اگر می خواهید بدانید این ارتباط در عمل چطور کار می کند، در مقاله برنامه نویسی چگونه ریاضی را تقویت می کند با جزئیات بیشتری بررسی شده است.

مؤلفه های اصلی تفکر محاسباتی چیست؟

مدل چهارمرحله ای زیر، یکی از رایج ترین روش ها برای آموزش تفکر محاسباتی به کودکان است. با این حال، در آموزش های جدید، مهارت هایی مانند آزمون، اصلاح راه حل و کار با داده نیز اهمیت زیادی پیدا کرده اند.

۱. تجزیه مسئله یا Decomposition

تجزیه یعنی شکستن یک مسئله بزرگ به مسئله های کوچک تر و قابل مدیریت.

فرض کنید کودک می خواهد برای مدرسه یک ارائه آماده کند. این کار در نگاه اول بزرگ و پیچیده است. اما می توان آن را به چند بخش تقسیم کرد:

• انتخاب موضوع
• جست وجوی اطلاعات
• انتخاب تصاویر
• نوشتن متن کوتاه
• ساخت اسلایدها
• تمرین ارائه

وقتی مسئله به بخش های کوچک تر تقسیم می شود، کودک راحت تر می فهمد از کجا باید شروع کند.

۲. تشخیص الگو یا Pattern Recognition

تشخیص الگو یعنی پیدا کردن شباهت ها، تفاوت ها و تکرارها.

برای مثال، کودک هنگام حل چند مسئله ریاضی ممکن است متوجه شود که در همه آن ها ابتدا باید اطلاعات مسئله را مرتب کند. یا در ساخت بازی با اسکرچ ببیند که حرکت شخصیت ها، امتیازدهی و برخورد با موانع، الگوهای تکراری دارند.

شناخت الگو باعث می شود کودک برای هر مسئله از صفر شروع نکند و بتواند از تجربه های قبلی خود استفاده کند.

۳. انتزاع یا Abstraction

انتزاع یعنی تمرکز بر اطلاعات مهم و کنار گذاشتن جزئیاتی که فعلا به حل مسئله کمک نمی کنند.

برای مثال، در طراحی یک بازی ساده، شاید رنگ لباس شخصیت اصلی مهم باشد، اما برای حل مسئله حرکت شخصیت روی صفحه، مهم ترین اطلاعات نیست. کودک باید تشخیص دهد که فعلا به موقعیت شخصیت، جهت حرکت، سرعت و برخورد با مانع نیاز دارد.

انتزاع به کودک کمک می کند در حجم زیاد اطلاعات گم نشود.

۴. طراحی الگوریتم یا Algorithm Design

الگوریتم یعنی نوشتن یا گفتن مراحل دقیق انجام یک کار.

مثلا دستور تهیه یک ساندویچ ساده، یک الگوریتم است:

۱. نان را آماده کن.
۲. مواد را داخل نان بگذار.
۳. ساندویچ را ببند.
۴. آن را برش بزن.

اگر یکی از مراحل حذف یا جابه جا شود، نتیجه ممکن است تغییر کند.

در برنامه نویسی، الگوریتم ها به شکل بلوک های اسکرچ یا کد نوشته می شوند. اما کودک می تواند قبل از ورود به برنامه نویسی، با نوشتن دستور بازی، مسیریابی، آشپزی یا برنامه ریزی روزانه نیز الگوریتم نویسی را تمرین کند. برای موضوع الگوریتم به طور اختصاصی، تفکر الگوریتمی چیست؟ را هم بخوانید.

سه مهارت تکمیلی مهم در تفکر محاسباتی

آزمون و اشکال زدایی

راه حل اول همیشه بهترین راه حل نیست.

کودکی که در پروژه خود با خطا روبه رو می شود، باید یاد بگیرد:

• مشکل دقیقا کجاست؟
• کدام مرحله درست اجرا نشده است؟
• چه چیزی را باید تغییر دهد؟
• بعد از تغییر، آیا نتیجه بهتر شده است؟

این فرایند در برنامه نویسی «اشکال زدایی» یا Debugging نام دارد. اما در زندگی روزمره نیز کاربرد دارد. مثلا وقتی کودک برنامه مطالعه اش جواب نمی دهد، می تواند بررسی کند کدام بخش برنامه واقع بینانه نبوده و آن را اصلاح کند.

کار با داده و اطلاعات

کودکان دائما با اطلاعات روبه رو هستند. بخشی از تفکر محاسباتی این است که کودک یاد بگیرد:

• چه اطلاعاتی برای تصمیم گیری لازم است؟
• کدام اطلاعات قابل اعتمادند؟
• داده ها چه چیزی را نشان می دهند؟
• آیا نتیجه گیری ما با اطلاعات موجود هماهنگ است؟

این مهارت در استفاده از هوش مصنوعی نیز مهم است. پاسخ یک ابزار هوشمند همیشه درست نیست. کودک باید یاد بگیرد سؤال دقیق بپرسد، جواب را بررسی کند و بدون فکر کردن، هر خروجی را نپذیرد.

ارزیابی و بهینه سازی راه حل

آزمون و اشکال زدایی به این سؤال جواب می دهند که «آیا راه حل کار می کند؟» اما یک سؤال دیگر هم هست: «آیا این بهترین راه حل ممکن است؟» این همان چیزی است که در تفکر محاسباتی به آن ارزیابی (Evaluation) می گویند.

فرض کنید کودک برای مرتب کردن کتابخانه اش دو راه پیدا کرده: یکی کتاب ها را بر اساس رنگ می چیند، دیگری بر اساس حروف الفبا. هر دو راه حل «درست» هستند، اما ارزیابی یعنی مقایسه کردن آن ها از نظر سرعت، سادگی و اینکه کدام یک بعدا پیدا کردن یک کتاب خاص را راحت تر می کند. وقتی کودک بین چند راه حل درست، بهترین را انتخاب می کند، در حال بهینه سازی (Optimization) است؛ مهارتی که مستقیما روی تصمیم گیری های روزمره او هم اثر می گذارد.

تفاوت این سه اصطلاح را می توان این طور خلاصه کرد: اشکال زدایی خطا را پیدا و برطرف می کند، آزمون بررسی می کند راه حل در شرایط مختلف درست کار می کند یا نه، و ارزیابی مشخص می کند از بین چند راه حل درست، کدام یک بهتر است.

یک مثال ساده از تفکر محاسباتی در زندگی روزمره

فرض کنید کودک نمی تواند بطری آب خود را پیدا کند. او می تواند مسئله را با تفکر محاسباتی حل کند:

تعریف مسئله: بطری آب کجاست؟

تجزیه مسئله: آخرین بار آن را در خانه، کلاس، حیاط یا ماشین دیده است؟

تشخیص الگو: معمولا بطری را بعد از ورزش یا کلاس در یک مکان مشخص جا می گذارد.

انتزاع: فعلا رنگ بطری یا مدل آن مهم نیست؛ مهم این است که آخرین مکان های احتمالی را بررسی کند.

الگوریتم: ۱. کیف را بررسی کن. ۲. میز کلاس را چک کن. ۳. از دوستت بپرس. ۴. با مسئول مدرسه تماس بگیر. ۵. اگر پیدا نشد، مسیر برگشت را بررسی کن.

آزمون و اصلاح: اگر هیچ کدام از این مراحل جواب نداد، باید فرض اولیه را تغییر دهد و مکان های جدیدی را بررسی کند.

این یک مسئله ساده است، اما دقیقا همان مهارتی را تمرین می دهد که کودک بعدها برای حل مسائل پیچیده تر نیاز خواهد داشت.

همین چهار مرحله در مسئله های بزرگ تر هم به همین شکل کار می کنند. برای مثال، برنامه ریزی یک جشن تولد:

تجزیه: مهمان ها، غذا، دکوراسیون و بازی ها را جداگانه برنامه ریزی کن.

تشخیص الگو: جشن های قبلی چه چیزی خوب پیش رفته و چه چیزی نه؟

انتزاع: فعلا روی تعداد مهمان و بودجه تمرکز کن، جزئیات تزیین را بعدا مشخص کن.

الگوریتم: یک برنامه زمانی مرحله به مرحله برای هفته پیش از جشن بنویس.

آیا تفکر محاسباتی بدون رایانه هم قابل آموزش است؟

بله. فعالیت های بدون صفحه نمایش یا Unplugged، یکی از روش های معتبر آموزش تفکر محاسباتی به کودکان هستند.

چند نمونه ساده:

• نوشتن دستور مرحله به مرحله برای درست کردن یک غذا
• طراحی مسیر رسیدن از خانه به مدرسه
• مرتب سازی لباس ها بر اساس رنگ، اندازه یا کاربرد
• ساخت بازی با کارت و تعیین قوانین آن
• حل پازل و جدول منطقی
• نوشتن دستور حرکت برای یک دوست که نقش «ربات» را بازی می کند
• پیدا کردن اشتباه در دستور ساخت یک کاردستی

رایانه و برنامه نویسی می توانند این یادگیری را عمیق تر و جذاب تر کنند، اما کودک نباید تصور کند تفکر محاسباتی فقط پشت لپ تاپ اتفاق می افتد.

والدین چگونه می توانند این مهارت را تقویت کنند؟

برای تقویت تفکر محاسباتی لازم نیست پاسخ همه سؤال های کودک را آماده بدهید. بهتر است با چند سؤال ساده، او را به فکر کردن هدایت کنید:

• مسئله دقیقا چیست؟
• از کجا می توانیم شروع کنیم؟
• این مسئله را به چند بخش کوچک تر تقسیم کنیم؟
• قبلا مسئله ای شبیه این داشته ایم؟
• کدام اطلاعات واقعا مهم اند؟
• اگر این راه جواب نداد، راه بعدی چیست؟
• از کجا بفهمیم راه حل ما درست کار می کند؟

هدف این نیست که کودک سریع تر جواب بدهد. هدف این است که یاد بگیرد مسیر رسیدن به جواب را طراحی، آزمایش و اصلاح کند.

تفکر محاسباتی را چگونه ارزیابی کنیم؟

ارزیابی این مهارت فقط با تعداد کدهایی که کودک نوشته یا سرعت حل مسئله انجام نمی شود.

نشانه های رشد تفکر محاسباتی در کودک می تواند این ها باشد:

• مسئله را با زبان خودش توضیح می دهد.
• قبل از شروع، برای کارش برنامه می چیند.
• مسئله بزرگ را به بخش های کوچک تر تقسیم می کند.
• بین اطلاعات مهم و غیرضروری تفاوت می گذارد.
• هنگام خطا زود تسلیم نمی شود.
• راه حلش را آزمایش و اصلاح می کند.
• می تواند از یک تجربه، برای حل مسئله ای جدید استفاده کند.
• درباره تصمیم ها و مسیر حل مسئله توضیح می دهد.

جمع بندی

تفکر محاسباتی، مهارت حفظ کردن دستورهای برنامه نویسی نیست. این مهارت به کودک کمک می کند مسئله را بهتر ببیند، آن را به بخش های کوچک تر تقسیم کند، برای حل آن برنامه بسازد و در صورت خطا، راه حلش را اصلاح کند.

برنامه نویسی، اسکرچ، بازی سازی و ساخت پروژه های دیجیتال، ابزارهای بسیار خوبی برای تمرین این مهارت هستند. اما اصل ماجرا، رشد توانایی حل مسئله، خلاقیت، دقت، پشتکار و تصمیم گیری کودک است.

پرسش های متداول