计算思维是利用计算机科学的,科学与工程实践5:利用数学和计算思维

上节我们提到科学的核心是数学，一位杰出的数学家，往往也对科学做出了巨大贡献，比如冯·诺依曼，再比如世界公认的三大数学家：牛顿、阿基米德和高斯。
这节我们将继续探讨数学思维和计算思维在科学与工程实践中的应用。
数学思维
思维是人的一种高级的心理活动形式。数学思维，很难确切的给个定义。不过，我们可以把它分成四个基础板块的学习，分别是数量、形状、结构和变化。
数学思维在科学中很重要，一方面可以为我们展示变量关系，另一方面，可以帮助我们改进工程中的设计。如果你深入地去看每一门科学的学科，你都能发现数学的影响。
计算思维
计算思维是什么呢？
计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。
简言之，就是利用计算机帮助我们计算和思考。
现在的学生大学前几乎都没有在科学课上使用过计算机，更不用说利用计算机来辅助学习，但是，电子产品已经是现代学生童年的一部分，这个事实不容忽视，信息时代已经到来，学校有责任在教育中引导学生合理使用计算机。

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那我们应该怎样在科学教学中培养孩子利用数学思维和计算思维呢？
从数学思维开始，过渡到计算思维培养。
目标进阶
数量和工具
小学阶段，从学生能够数数开始，引入各种测量工具的使用。比如长度测量工具，尺子、卷尺；体积测量工具，量筒、烧杯等；重量测量工具，天平等。
学生能够采用合适的测量工具来收集数据，当然也希望学生能够采用合适的表格来记录和处理数据。
数学关系
学生收集数据后，学习寻找数据的数学关系。可以尝试将文字转化为数字，比如收集到匀速运动的小车时间与运动距离的数据后，学生通过观察和讨论可能会得出结论：距离等于时间与速度的乘积，那就可以转化成数学关系：d=vt，这会让描述更简捷，理论更清楚。
数学对科学的学习有重要作用，许多科学理论都能用数学式简单表达出来，比如大家熟知的牛顿三大运动定律，比如爱因斯坦提出的质能方程。

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数学模型
进入中学后，学生开始运用计算机中的电子表格来处理数据。每个人不一定会成为科学家，但是，一定会在以后的工作中运用电子表格。
同时，学生也开始运用一些电子仪器进行数据收集工作，比如探针。电子仪器与计算机相连，能够快速收集大量数据。
大量的数据可以帮助我们建立数学模型。
模拟
理论很重要，我们也希望能通过实验来验证理论，计算机就可以允许我们在短时间内进行实验模拟。
以为例，这是一个用来对自然和社会现象进行模拟的软件，特别适合对随时间演化的复杂系统进行建模，下图是模拟二氧化碳对全球气温的影响，可以增减二氧化碳含量，曲线会呈现出气温的变化。
▲ 模拟二氧化碳对全球气温的影响
当然，还有很多模拟软件，重要的是教师引入到课堂中，为教学所用。
利用数学和计算思维在科学中发挥越来越重要的作用，教师也应该与时俱进把它们带入课堂，希望本文对你有用。
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