פיתוח מיומנויות חשיבה אלגוריתמית בקרב תלמידים

הצעת מחקר לפרויקט גמר
במסלול חינוך בעידן טכנולוגיות מידע

בנושא:

פיתוח מיומנויות חשיבה אלגוריתמית בקרב תלמידים

תוכן עניינים

תקציר 3
מבוא 4
סקירה ספרותית 6
חשיבה אלגוריתמית 6
מיומנויות חשיבה אלגוריתמיות 7
מיומנויות חשיבה אלגוריתמיות בגן 7
מיומנויות בסיסיות בחשיבה אלגוריתמית 8
עיצוב אלגוריתמים 9
חשיבה אלגוריתמית וקידוד 10
מיומנויות חשיבה 10
חשיבה אלגוריתמית וחינוך מתמטי 10
מתודולוגיית המחקר 12
גישת המחקר 12
שאלת המחקר 12
שיטת המחקר 12
כלי מחקר 12
משתתפים 13
הליך המחקר 13
אמינות המחקר 13
מקורות 15

תקציר

חשיבה אלגוריתמית היא תהליך חשיבתי ומתמטי בו נתונים מתקבלים כקלט, ופעולות מוגדרות וסדורות בדיוק מבוצעות בכדי להביא לתוצאה רצויה. המתמטיקה שבעקרונותיה מאפשרת לנו לכתוב אלגוריתם בצורה פורמלית וברורה, וזהו דיוק ומדויקות נדרשים למערכת ממוחשבת לבצע את הפעולות באופן יעיל וטוב,והחשיבה האלגוריתמית נעשית בעיקר במקרים שבהם נדרש פתרון סדור ונכון לבעיה מסוימת, או כשצריך ליישם מנגנונים חשיבתיים יעילים על מנת לעזור במשימות מחשבותיות, כמו פיתוח תוכנה, אופטימיזציה של תהליכים ומערכות, תכנון מסלולים ועוד(Scherer, 2019).
אלגוריתמים קיימים ונחקרו מאז תחילת המתמטיקה, עם זאת, התפתחותה הנוכחית נובעת מהתקדמות המחשוב, והופעתן של שפות התכנות פתחה פרדיגמה חדשה לפתרון בעיות אלגוריתמי. שפות אלו אפשרו שימוש במושגים שעד כה לא ניתן היה להשתמש בהם על הנייר, כמו אחסון תוצאות ביניים כדי לקשר חישובים מסוימים עם אחרים או יעילות האלגוריתם. הם גם הוסיפו הוראות שאפשרו לתכנת אלגוריתמים שלא היו ניתנים לביצוע קודם לכן: משתנים חישוביים, בוליאנים, תווים, הקצאות וכו' כתוצאה מכך את ההתאמה בין לוגיקה מתמטית לתכנות במחקר זה, AT נחשבת כצורה מסוימת של חשיבה מתמטית, תוך שימוש בהגדרה הקודמת: "דרך חשיבה הגיונית ומאורגנת המשמשת לפירוק מטרה מסובכת לסדרה של שלבים (מסודרים) תוך שימוש בכלים זמינים וגם כסוג של חשיבה שניתן לפתח ללא תלות בלימוד תכנות(בשארה, 2014). המחקר הוא מחקר איכותני שהתבצע באמצעות ראיון חצי מובנה עם מורים מבתי ספר מרהט עם שמונה מורים ברהט והשאלות בריאיון נעים סביב עמדת מורים שמלמדים רובוטיקה בדיסציפלינות שונות, תלמידים הלומדים חשיבה חישובית ואיך הם מפתחים את החשיבה הזו בבתי ספר שלהם.
כלי המחקר הוא ראיון חצי מובנה שאלות בראיון הם שאלות פתוחות שבודקות כיצד חשיבה אלגוריתמית מאפשרת לתלמידים פיתוח מיומנויות חשיבה.
והמחקר בוצע באמצעות ראיון חצי מובנה והשאלות יהיו פתוחות ומובנות, עם שמירה על אנונימיות כלפי הפרטים האישיים של הנבדקים. והמרואיינים גילו נכונות להשתתף במחקר הנוכחי אחרי שהפתחנו להם אנונימיות כלפי פרטים אישיים שלהם ואחרי שאמרנו להם שהמטרה מהמחקר הנוכחי היא חינוכית אקדמית בלבד ואין שום מטרה אחרת. ומאוד עזרנו לי ותמכו במחקר הנוכחי ועזרו בהצלחתו.
ביחס ל-AT, Lagrange and Laval (2019 ו-2023) מדגישים את חקר האלגוריתמים כאובייקטים מתמטיים, את ממד השפה הפורמלי שלהם וכיצד הסימון הפורמלי הזה לאלגוריתמים או "שפה" הוא כלי להפשטה ולא לביצוע במחשב. החקירה התיאורטית והאמפירית שלהם בתיכון מבקשת לזהות דרכים מתאימות לקשר בין תכנות מחשב ואלגוריתמיקה ללמידה מתמטית. הם חוקרים את מרחבי העבודה האלגוריתמיים והמתמטיים המתאימים שבהם התלמידים מפתחים הבנה של משפט ערך הביניים, ואלגוריתם הביסקציה.

מבוא

העולם הולך ומקדם, ושיטות ההוראה גם הן חייבות להיות תואמות לגיל ההתקדמות, הדבר שנתן מלי לחשוב על המחקר הזה גל הקורונה שהיה לפני שנתיים, אך כל הבועה שהוא יצר במערכת החינוך וכל גוף התחיל לשלב כלים טכנולוגיים ובאותו זמן כאילו שהוא קם משינה עמוקה ולא היה מוכן , וזה לאט לאו מתחיל להסתדר. במשך שנים לימדתי רובוטיקה שהוא מתבוסס על חשיבה אלגוריתמית, על מנת שהרובוט ביצע משימות הוא חייב לעבור שלבים של שאלות דרג אלגוריתמים שונים, רוב הלמידה הייתה מבוססת על בעיות בסביבה שהתלמידים חוקרים ומוצאים פתרון בעזרת רובוטיקה או כל כלי טכנולוגי אחר, הרגשתי בשינוי אצל התלמידים וגם בתגובות שאני מקבל מההורים על השיפור בחישה או בציונים של התלמידים ורובם או לא כולם סיימו או לומדים נוסאים של הנדסה אם זה מחשבים או חשמל , לכן רציתי לבדוק האם זה היה בגלל שאני מעביר את החומר או שזה קורה בקורסים אחרים עם מורים אחרים מכמה כיוונים מיומנויות פתרון בעיות, יעילות חשיבה , אוטומציה סיכויי קריירה, הישגים, לכן אני אבדוק את השוני של תלמידים אחרים שלומדים רובוטיקה או תכנות מבוססת על חשיבה אלגוריתמית, כמובן אם זה על ציונים שינוי חשיבה המיומנויות בכיתה , ישיבה עם המורים שמלמדים אותם מה הרגישו לגבי התלמידים האלה, לכן התלמידים שאבחר אני אישית בבית ספר שאני מלמד שלוש קבוצות כל קבוצה מאופיינת אם זה בהישגים או חשיבה או רמת הלימודים שהיא יכולה כמובן בעזרת המורים שמלשמים את הכיתה(בשארה, 2014) . עבור אנשים רבים, "חשיבה אלגוריתמית" מעלה חזיונות של לוח צייד טוב עם משוואות וסמלים נרחבים שנשכחו מזמן בזיכרון החינוכי שלנו. עבור אחרים שמכירים את תכניות הלימודים בקידוד, זהו שלב חשוב בתהליך תכנות המחשב. עם זאת, חשיבה אלגוריתמית היא הרבה יותר מזה. מהעצמת הוגים ביקורתיים ועד ליישור פתרון בעיות עם יעילות והצלחה, חשיבה אלגוריתמית היא מיומנות חיונית לתלמידים של ימינו ללמוד(וינבירג, 2005). חשיבה חישובית הופיעה בתפיסה העכשווית שלה בשנת 2006 לספירה, ולכן היא נחשבת בין המגמות העכשוויות האחרונות בפיתוח מיומנויות חשיבה. למרות שהמושג חשיבה חישובית זכה לתשומת לב רבה במהלך השנים האחרונות, כמה מחקרים הראו שמיומנויות חשיבה חישוביות אינן נלמדות ביעילות בחינוך כללי או אוניברסיטאי(זוהר, 2006). חשיבה אלגוריתמית נובעת מהמושג של an אלגוריתם, המתייחס לפתרון בעיה על ידי פיתוח סט של צעדים שננקטו ברצף להשיג את התוצאה הרצויה (קטאי, 2014). אז, בואו להתחיל להגדיר אלגוריתם שהוא "שיטה בשימוש לפתור בעיה המורכבת מפקודות מוגדרות במלואן'' (פוטשק, 2006). חשיבה אלגוריתמית נמצאת בשימוש תכוף מונח כאחת הכישורים החשובים ביותר שיכולים להשיג עם השכלה אינפורמטיקה. וחשיבה כרוכה ב"פתרון בעיות, עיצוב מערכות והבנת התנהגות אנושית, על ידי הסתמכות על מושגים בסיסיים למדעי המחשב(Scherer, 2019). ההגדרה המצוטטת ביותר של חשיבה אלגוריתמית (או הגרסה הקרובה שלה, החשיבה החישובית) וחשיבה אלגוריתמית היא תהליך חשיבה שבו "... פתרונות מיוצגים בצורה שיכולה להתבצע ביעילות על ידי סוכן מעבד מידע. זה מתייחס לא רק לבעיות מובנות היטב, אלא גם לבעיות לא מובנות (כלומר, חיים אמתיים מסובכים בעיות שהפתרונות שלהן אינם מוגדרים ואינם ניתנים למדידה).חשיבה אלגוריתמית הוגדרה גם כ"יכולת להבין, לבצע, להעריך וליצור נהלים חישוביים חוקרים אחרים הגיעו עם הגדרות משלהם ביחס לתחומי המחקר שלהם. למשל, בארטל (2011) הגיעו למסקנה שב-K-12, חשיבה אלגוריתמית כוללת מיומנויות של פתרון בעיות ונטיות מסוימות, כגון ביטחון עצמי והתמדה, כאשר מתמודדים עם בעיות מסוימות. ברלנד ווילנסקי (2015) הגדירו חשיבה אלגוריתמית כ"היכולת לחשוב עם המחשב ככלי" והציע להשתמש ב"פרספקטיבות חישוביות" כחלופה ל"חשיבה חישובית" כדי להדגיש כי חשיבה אלגוריתמית יכולה להיות מוגבלת על ידי הקשרים. בנוסף, חשיבה אלגוריתמית הוגדרה כ"...(המיומנות של) תלמידים המשתמשים במחשבים כדי ליצור מודל שלהם רעיונות ופיתוח תכוניות, המקשרים במפורש חשיבה אלגוריתמית ועד כישורי תכנות(Lee, 2021). וחשיבה אלגוריתמית היא מאגר של מיומנויות הקשורות לבנייה והבנה של אלגוריתמים: - היכולת לנתח בעיות נתונות היכולת לאתר בעיה. - היכולת למצוא פעולות בסיסיות המתאימות לבעיה נתונה. - היכולת ליצור אלגוריתם מדויק לבעיה ספציפית באמצעות פעולות בסיסיות. - היכולת לחשוב על כל המצבים המיוחדים והנורמליים האפשריים של בעיה. - היכולת להגביר את היעילות של אלגוריתם. חוקרים מתחילים לצבור ידע על הרעיון(Selby, 2013). וחשיבה אלגוריתמית מייצגת דרך לפתור בעיה באמצעות סדרה של שלבים המובילים פתרון. זה מתאים לא רק לפתרון בעיות על ידי מחשבים, אלא גם ללא מחשבים במגוון מצבים של חיי היומיום. הגישה הבסיסית המפתחת כישורי פתרון בעיות ותכנות היא חשיבה חישובית. חשיבה חישובית כוללת חשיבה אלגוריתמית שחשובה לעיצוב בעיות. חשיבה לוגית, הערכה, פירוק, הפשטה, הכללה ומחשב אחר, וכישורי חשיבה מנתחים בעבר את הבעיה. פיתוח מיומנויות חשיבה אלגוריתמיות מעודד פיתוח מיומנויות אחרות כגון יצירתיות, חשיבה לוגית, אנלוגיה, קבלת החלטות ודומים. חשוב לפתח מיומנויות חשיבה אלגוריתמיות מגיל צעיר כדי שניתן יהיה ליישם את שניהם במצבי למידה ובפתרון בעיות בסיטואציות בחיי היום יום(Wing, 2006).