O que devo fazer com um grupo de jovens de 16 a 17 anos para interessá-los em ciência da computação?

Vou me envolver com uma espécie de 'dia aberto' na minha universidade em algumas semanas. Como parte desse período, eu (junto com um colega de trabalho) recebi um monte de estudantes do ensino médio por duas horas, além de um laboratório de informática grande o suficiente para conter todos eles, e preciso fazer algum tipo de atividade ou conjunto de atividades com eles para incentivá-los a fazer ciência da computação (na minha universidade, idealmente, mas em geral também). Estou absolutamente perplexo quanto ao que fazer aqui e saúdo todas e quaisquer sugestões.

• Você pode fazer com que eles desenhem figuras usando gramática livre de contexto. arte livre de contexto Isso também funciona para pessoas que nunca haviam programado antes e é dimensionado para programadores experientes. A linguagem básica é fácil de explicar em talvez meia hora.
• Aprender algo sobre geometria usando gráficos Turtle também deve ser bom. O logotipo foi projetado para crianças, portanto, os alunos do ensino médio não devem ter problemas. Existem bons vídeos sobre crianças usando o Logo no youtube
• Se você consegue colocar alguns robôs do MindStorms, programá-los é muito divertido.
• Há uma variedade de jogos de programação nos quais você programa robôs para lutar entre si, ou programas de montagem que tentam substituir um ao outro em uma máquina virtual. Wikipedia sobre o tópico , pergunta relacionada ao stackoverflow
• Você também pode pensar em algum tipo de projeto de hardware. Fazer um microcontrolador piscar um LED, dependendo do número de e-mails não lidos na sua caixa de entrada, por exemplo.
• Faça com que implementem algoritmos diferentes de geração de labirinto , tente criar critérios que tornam os labirintos "difíceis para os seres humanos". Se o tempo permitir, estenda os algoritmos para incluir não apenas corredores, mas também salas.
• Compre alguns Arduinos e LEDs. Deixe-os programar as luzes piscantes.

Confira Ciência da Computação Desconectada . Do site deles:

O CS Unplugged é uma coleção de atividades de aprendizado gratuitas que ensinam Ciência da Computação por meio de jogos e quebra-cabeças envolventes que usam cartas, cordas, giz de cera e muitas corridas.

As atividades apresentam aos alunos conceitos subjacentes, como números binários , algoritmos e compactação de dados , separados das distrações e detalhes técnicos que geralmente vemos nos computadores.

O CS Unplugged é adequado para pessoas de todas as idades , do ensino fundamental ao último ano , e de muitos países e origens. O Unplugged é usado em todo o mundo há mais de quinze anos, em salas de aula, centros de ciências, casas e até mesmo para eventos de férias em um parque!

A maioria dos graduandos de Ciência da Computação que conheço considera que aprender a programar é a parte mais dolorosa e desmoralizante de sua educação. Portanto, eu ficaria longe de qualquer coisa relacionada à programação em si. Como scphantm já apontou, você provavelmente também não terá tempo para isso.

O que você procura é um exercício de duas horas que satisfaça dois objetivos:

• É empolgante o suficiente para manter os alunos do ensino médio interessados ​​o suficiente por duas horas,
• Isso dará a eles um vislumbre do que é Ciência da Computação e, com sorte, os interessará.

O primeiro objetivo é bastante independente do que você realmente mostrará e tem muito mais a ver com ser um bom professor / apresentador. Boas práticas didáticas, ou seja, mantendo o público atento, permitindo que eles tentem pequenas coisas em grupos, dando um tempo a cada 15 minutos e assim por diante.

O segundo objetivo é um pouco complicado, e o que eu acho que funciona melhor aqui é pegar um problema que pode ser explicado com o conhecimento atual deles, mostrar como você pode descrever a solução algoritmicamente e depois mostrar como essa solução pode ser analisada e melhorado.

Um bom exemplo é o problema de caminho mais curto nos gráficos, também conhecido como sistema de navegação GPS. Nenhuma explicação é necessária. Você pode fornecer a eles um pequeno mapa com pesos / comprimento das arestas desenhadas e um monte de giz de cera para realmente executar o algoritmo conforme você o descreve.

Você pode então começar uma discussão sobre como você iria encontrar um caminho mais curto, e assim por diante, deixá-los tentar formulá-la como um algoritmo, etc ... Então você descreve o algoritmo de Dijkstra , deixando-os colorir os nós como visitou , hesitante , e conjuntos não visitados . Bam. Você tem um algoritmo!

Se você ainda tiver tempo, pode continuar explicando alguns detalhes, ou seja, coisas que tomamos como garantidas, como encontrar o mínimo no conjunto de nós provisórios. Se você chegar até aqui, poderá mostrar a diferença entre a pesquisa linear e a pilha e, como bônus, poderá introduzir a anotação .$\mathcal O$

Dito tudo isso, isso é o mais longe que eu poderia ir. Fique longe de toda a discussão entre e com um bastão de três metros. Embora a maioria dos cientistas da computação ache isso fascinante, a maioria dos estudantes do ensino médio não. Eu sei disso por experiência própria. A chave, na minha opinião, é começar com um problema que eles possam entender ou se relacionar e levá-lo a partir daí sem a necessidade de muita introdução.N $P$$NP$

Se você tiver apenas 2 horas, não terá muita codificação. Apenas aprender a sintaxe será difícil nesse período, mas há muitas coisas que podem ser feitas.

Como sugestão, tente ensiná-los a controlar o fluxo e a importância de serem específicos:

1. Divida a classe em 2, "robôs" e os outros "programadores".
2. Crie um desafio adequado que exija lógica simples, looping etc. - há um exemplo abaixo.
3. Peça aos "programadores" que escrevam uma lista de instruções fornecidas aos "robôs"
4. Faça com que os "robôs" executem as instruções, mas deixe que os "robôs" saibam que, se as instruções forem confusas, elas podem parar, causar erros ou agir de outra forma até que o "programador" pare e as depure. Garantido, se tiver a chance de jogar, um estudante do ensino médio o fará.

Como tarefa de exemplo, configure algumas banheiras de bolas coloridas diferentes, com tiras de papel coloridas correspondentes em outros lugares e baldes pequenos o suficiente para cada par robô / programador. A tarefa é fazer com que o robô encha o balde com bolas, no entanto, para isso, eles só podem receber bolas que correspondem a uma tira de papel específica. Se não houver mais bolas dessa cor em uma banheira, o robô deverá devolver sua tira de papel e coletar uma nova.

Essa tarefa requer ramificação, loop, tratamento de erros e pensamento condicional. Todas as coisas em que um programador precisa ser bom, independentemente do idioma ou atividade.

Execute algo assim duas vezes para que os "robôs" e "programadores" possam trocar. No meio, dê uma pequena lição sobre os padrões de pensamento acima, e eles terão um desempenho muito melhor no segundo, terminando com uma pequena palestra sobre os grandes eventos da programação - derrotar os nazistas, ir à lua, a internet e você terá uma sala de programadores em potencial e engajados!

Eu treinei muitos programadores. Se tudo o que você tem são 2 horas, não se preocupe em ensiná-los a codificar. O laboratório de informática também não é necessário. Para ir do zero ao olá mundo, você perderá metade da aula e passará 45 horas das suas 2 horas lidando com falhas e não fará nada.

Você pode ter mais sorte mostrando a eles como é pensar em um programador. Dê a cada um deles um bloco de papel e uma caneta e diga-lhes para escrever um programa em seu próprio idioma sobre como pegar o celular da mesa e fazer uma ligação. Caminhe através de suas respostas. Se você é um jocky de algum sal, você pode percorrer os programas deles e dizer-lhes como melhorá-los e como acomodar os detalhes que você precisa ter. Depois, peça que eles escrevam um programa com suas próprias palavras para fazer algo mais mundano. coloque as calças, escove os dentes, abra uma porta, o que for. Faça o mesmo com esse programa.

Dê a eles um gostinho de como é pensar em programador. Eles certamente tirarão mais proveito disso do que você tentando ensiná-los Python em 2 horas.

Você pode tentar Alice . É um IDE e API para animação 3D. Ele tem todos os tipos de objetos embutidos (coelhos, alienígenas, árvores, prédios, ...) que você pode colocar em uma cena inicial, com métodos de alto nível: como walk(north)(que anima os braços e as pernas enquanto o personagem se move) e say("my name is Winky")que pode fazer com que um balão de desenho animado saia da boca dos personagens.

Permite conectar eventos de teclado e mouse para que você possa fazer coisas interativas.

A linguagem de programação subjacente é Java, mas o IDE fornece uma variante gráfica na qual você arrasta e solta partes das expressões em uma janela do editor. (Não permitirá que você crie um erro de sintaxe.)

Eu acho que você pode configurar tudo com uma cena para que alguém sem experiência em programação possa fazer algo interessante em apenas algumas horas.

A codificação, mesmo em linguagem gráfica ou de brinquedo, parece exagerada no decorrer de uma hora. Inferno, não tenho certeza se poderia pegar Alice novamente e fazer qualquer coisa que valha a pena em 2 horas. Talvez um fim de semana, mas não duas horas.

Sugiro resumir o CS ao essencial: solução e análise de problemas. Divida o grupo em equipes. Reserve 10 minutos para descrever alguns problemas computacionais de alto nível. Estes devem ser problemas fáceis que podem ser facilmente explicados a pessoas com pouco conhecimento matemático ou de CS. Exemplos incluem:

1. Classificando listas
2. Localizando árvores de abrangência mínimas
3. Raízes computacionais (aproximadas) de números inteiros
4. etc.

Reserve mais 10 minutos para uma discussão mais aprofundada e para explicar a tarefa. A cada grupo é atribuído um problema, para o qual eles devem debater soluções. A equipe terá meia hora para descobrir de forma colaborativa uma solução ou soluções para o problema atribuído. Depois, reserve uma hora para analisar as soluções em todo o grupo e deixe as crianças descobrirem se elas funcionam ou não, se há uma maneira mais rápida / melhor de resolver o problema etc.

Se as crianças não encontrarem uma solução correta / ideal, tudo bem. Não basta dar as respostas, no entanto - isso é absolutamente crítico. A razão pela qual as crianças não fazem mais STEM é porque os educadores dão às crianças a impressão de que tudo já está resolvido. Serão necessários conselheiros maduros para permitir que as crianças tentem resolver esses problemas e ter sucesso ou fracassar por conta própria. Obter a resposta certa não é o ponto. O objetivo é dar às crianças problemas interessantes e mostrar às crianças o que é a ciência da computação: resolver problemas e avaliar soluções para correção e eficiência. Permitir que as crianças apresentem suas próprias respostas lhes dará uma sensação de propriedade e os ajudará a se sentirem envolvidos.

Obviamente, se as crianças perguntarem se obtiveram uma resposta correta / boa / a mais conhecida, diga a verdade. Mas não dê apenas as respostas, a menos que elas surjam organicamente como resultado da discussão das soluções dos alunos. Para resumir:

1. Dê às crianças problemas fáceis de entender, mas ricos para explorar.
2. Permita que as crianças apresentem suas próprias soluções, fornecendo apenas ajuda suficiente para garantir que compreendam o problema em questão.
3. Discuta a correção / eficiência em um ambiente de grupo, dando aos grupos a chance de explicar suas soluções. Como conselheiros, você é livre para levar a discussão sobre correção / eficiência até onde achar que pode ser lucrativa.
4. Sob nenhuma circunstância você deve apresentar suas próprias ou conhecidas soluções para o problema, a menos que sejam basicamente idênticas às fornecidas pelos alunos. Não faça parecer que o CS é um campo em que as pessoas já descobriram todas as respostas.
5. Se possível, deixe as crianças sentindo que aprenderam alguma coisa, mas para que ainda tenham perguntas: encontraram as melhores respostas? Suas outras questões podem ser resolvidas de maneira semelhante? Você pode até fornecer a eles algum problema indecidível em um formato fácil de digerir, para fornecer a eles algo para trabalhar posteriormente.

Agora tenho 17 anos e comecei a programar quando completei 16 anos. Vou contar minha história e fazer algumas sugestões: Meu interesse pela programação começou quando eu estava assistindo a um técnico de informática que chamei de mexer com meus registros e prompt de comando ( mesmo que ele quisesse 500 $ para consertar meus BSODs e eu não os pagasse, os consertei por conta própria). Então, pesquisei "linguagem de prompt de comando" e descobri que havia algo chamado "código-fonte" e permitia programar . Na época, eu não fazia ideia do que era c ++, nem acho que já tinha ouvido falar dele. Então entrei no cpp.com (tutoriais muito ruins, você aprenderá práticas ruins e desatualizadas) e comecei a aprender o básico. Minha mente ficou louca e eu realmente aprendi que o vírus com o qual eu estava infectado causando meus problemas estava escrito em c ++, o que me interessou ainda mais. Mais tarde, comecei a ler, aprender montagem e outras línguas de alto nível. Comecei querendo aprender sobre malware e programação de gráficos e aprendi.

1. Isso pode parecer ruim, mas muitas pessoas da minha idade estão realmente interessadas no lado destrutivo da programação. A primeira pergunta que recebo de meus amigos quando digo que sou muito boa com c ++ é "Você pode criar vírus, alterar notas ou hackear jogos?" há. Talvez você possa criar algo parecido com malware que não seja perigoso ou ilegal, mas ainda interessante. (Talvez obtenha as informações de login de um aluno no servidor da escola) Você pode conversar com eles sobre como também funcionam vírus e software malicioso.
2. Desenvolva um pequeno jogo ao longo das linhas de pokemon e descreva a eles como os jogos e os mecanismos de jogo funcionam. Muitas pessoas provavelmente ficariam surpresas ao saber que em muitos jogos 2D como esse o personagem não está realmente se movendo, o fundo está e o personagem está apenas usando uma animação, fale sobre números aleatórios etc. Crie algumas demonstrações em 3D também.
3. Tente ficar longe de explicar o que o código faz, tente dizer a eles o que o programapor si só, sem falar muito sobre o código. Na minha experiência, é uma maneira fácil de perder a atenção das pessoas, especialmente se elas não entenderem o básico do idioma. Na verdade, eu tentaria realmente não divulgar o código-fonte, porque poderia ser bastante desanimador para alguém olhar para 500 linhas de código e não entender nada disso. Além disso, se você tem alguém que está demonstrando ser como eu, provavelmente fará uma cadeia de perguntas porque tem uma mente curiosa. Você está falando sobre números aleatórios, eles perguntam para que servem os números aleatórios e de onde eles vêm ... do que você precisa explicar a eles sobre o ruído eletrônico e como é aleatório e tudo mais, do que provavelmente você se encontrará em uma situação em que está assim como "eu não sei".

4. Lego Mindstorms é uma ótima idéia. Se você não quiser seguir o caminho mais longo e usar uma linguagem principal, ela vem com uma linguagem de programação em estilo de bloco que você pode usar. Eu descobri o idioma em cerca de 30-40 minutos, tudo se alinha quando você pensa sobre isso

5. Você pode desenvolver um aplicativo rapidamente e exibi-lo, conversar com eles sobre o $$ que pode advir do desenvolvimento do aplicativo.

alguns dos meus favoritos

• gerando fractais . eles têm um forte vínculo com matemática profunda e computação gráfica e também são naturalmente adequados ao paralelismo. ilustra a complexidade e o comportamento emergente , especialmente quando você aumenta o zoom em escalas arbitrárias e possui fortes vínculos com a ciência e os fenômenos naturais. não é difícil escrever um código fractal paralelo que seja executado em várias máquinas. um experimento é fazer com que cada máquina exiba as linhas aleatórias processadas (por exemplo, máquinas "escravas" que processam linhas de uma fila) e, em seguida, uma máquina central exiba os resultados combinados.

• robótica lego (ou outros kits de robótica, por exemplo, carimbo ). O mindstorms é um brinquedo, mas pode ser muito avançado, servindo como uma demonstração tangível de conceitos abstratos. o software que pode ser executado neles pode ser muito complexo e pode ter laços / algoritmos complicados de senso-pensar-ato. existem muitos bons livros de construções. também impressionantes são os solucionadores de cubos Rubiks , quebrando recentemente o recorde mundial.

• raspberry pi é uma nova plataforma de baixo custo que tem muito interesse e uso. pode ser usado para demonstrar programação linux, robótica etc., e possui saída HD, etc. consulte, por exemplo, o supercomputador Southhampton raspberry pi com um rack Lego.

• O logotipo mencionado na outra resposta é um clássico antigo. outro ângulo mais recente é a programação de jogos, por exemplo, com uma nova linguagem popular emergente chamada Scratch (inventada no MIT ). ele pode ensinar muitos tópicos de CS naturais / avançados.

aqui está outro ângulo. existem tantos problemas abertos interessantes ou tecnologias emergentes na ciência da computação nas fronteiras do entendimento científico que podem despertar curiosidade / maravilha, isto é, exploração de terra incógnita próxima . se você levantar os problemas e depois pedir à classe que participe de uma discussão sobre as ramificações das soluções, isso pode despertar interesse / inspiração significativos. [como você menciona a disponibilidade do laboratório de informática, também seria possível criar de forma criativa alguns exercícios práticos relacionados a essas áreas.]

isso pode assumir uma sensação de ficção científica, mas no CS, como nenhum outro campo, ele transforma o que antes era ficção científica em realidade em um curto período de tempo. elas também podem ser controversas e oportunas, conectando-se às manchetes de hoje, e os alunos podem começar a entender o quão onipresente o CS é em nosso mundo / sociedade e o quão significativo é, quando amplamente interpretado. aqui estão alguns grandes:

• Problema de dobragem de DNA para proteína . existe um algoritmo para calcular com precisão?

• inteligência artificial em geral. é possível? há ética envolvida?

• A robótica possui várias áreas emergentes importantes. por exemplo, automóveis autônomos / direção . está no horizonte de curto prazo. como isso afetará a sociedade? o vídeo do concurso DARPA de não muito tempo atrás é impressionante. A escrita de Kurzweil tem muitas coisas para entrar. Os drones são um tópico complicado, raramente discutido abertamente e serão cada vez mais usados ​​internamente. o mars rovers é uma tecnologia extraordinária e há histórias surpreendentes por trás disso, como como os sistemas tiveram que ser depurados remotamente - interplanetariamente quando falharam.

• Ultimamente, os sistemas de vigilância baseados em TI para detectar crimes / terrorismo estão sendo bastante noticiados.

• Problema P vs NP . parece abstrato, mas pode ser apresentado de uma maneira muito tangível, como falar sobre como os videogames são NP completos e o problema pode ser visualizado como o tamanho dos circuitos necessários para resolver problemas completos de NP e as implicações selvagens de P = NP e como a criptografia e as transações seguras dependem da suposição P NP. Ah, sim, e não se esqueça de mencionar o prêmio de US $ 1 milhão mais próximo do que é chamado no ensino [teoria] de "motivação"!$\neq$

• o bóson de Higgs não poderia ter sido descoberto e o supercollider não pode funcionar sem grandes sistemas baseados em CS para analisar o "big data".

• Lei de Moore . até onde vai continuar? quanto já afetou a sociedade / humanidade?

• Computadores quânticos . eles são possíveis? eles serão mais rápidos? eles serão de baixo custo ou sempre indecisos? Dwave é um estudo de caso colorido, há um ótimo artigo do SciAm de Aaronson, etc.

• O algoritmo de pagerank do Google é uma das maravilhas multibilionárias da ciência da computação moderna. será prorrogado? como funciona a filtragem de spam? a empresa parece estar caminhando para analisar imagens, etc.

• A negociação algorítmica / alta frequência agora move enormes quantidades de volume / valor da negociação. é bom / ruim? está aumentando / diminuindo? será regulamentado no futuro? que tipo de corrida armamentista computacional está envolvida?

• os supercomputadores são enormes, resolvendo problemas surpreendentes e ficando maiores. existem limites? o que eles calculam e o que eles calcularão no futuro? um pouco relacionado, Big Data e datamining .

• sites de redes sociais tiveram implicações enormes em menos de uma década de crescimento. eles estão envolvidos no fomento de revoltas populares, por exemplo, primavera árabe e Occupy wall st . qual é o futuro deles?

Eu tenho uma proposição que

• concentra-se em ciência da computação (não em programação ou auxiliar),
• começa com uma premissa que a maioria das crianças conhece e
• foi realmente tentado e funciona.

Realizamos pequenas oficinas com estudantes do ensino médio sobre o Campo Minado . O workshop seria mais ou menos assim:

1. Vamos jogar um pouco o jogo (a maioria sabe).

2. O que acabamos de fazer? Qual é o problema que tentamos resolver? Podemos formular regras gerais?

   Isso geralmente leva um tempo. As crianças não são usadas para formular problemas em termos de entrada e saída, para que não haja regras gerais para resolvê-los. Aqueles que programaram antes apreciarão o esforço; referenciar "código espaguete" pode ajudar. No entanto, as regras serão simples na maioria das vezes, considerando apenas uma célula por vez.

3. Exiba problemas com as regras.

   Neste ponto, você deseja introduzir um simulador do Campo Minado . O de Bayer, Snyder e Chouiery não é perfeito, mas permite exibir cenários cuidadosamente projetados.

4. Melhore o conjunto de regras para cobrir mais cenários.

   Isso normalmente leva os alunos a investigar cada vez mais células juntas. Você também pode incentivá-los a abordar "resolver tudo", como expressar as informações em mãos como um sistema de equações lineares - isso ocorre se você tentar expressar as informações disponíveis em termos matemáticos. Os alunos já sabem como resolver esses sistemas!

5. Observe as limitações.

   Primeiro, há cenários que não têm solução (determinística). Além disso, podemos contrastar a força bruta com nossas estratégias desenvolvidas. Podemos trocar velocidade versus potência? Se a abordagem do sistema de equações aparecer, observe que só podemos resolver isso de forma eficiente em relação aos reais, mas precisamos de respostas binárias. Não é muito difícil criar cenários que levem a tempos de execução enormes (usamos álgebra computacional para ilustrar).

Dependendo do grupo, essa abordagem permite abranger vários princípios da ciência da computação de maneira natural: definição de problemas, descrição de algoritmos gerais, solução iterativa de problemas, bem como questões de computabilidade e complexidade, podem ser abordadas.

O feedback dos estudantes foi globalmente positivo; eles se sentem engajados e expressam interesse nos conceitos. É importante que eles façam a maior parte do trabalho, apenas os cutucando cuidadosamente na direção desejada, fazendo perguntas pontuais.

você tem muitas coisas para fazer ... mas uma coisa que parece tão excitante "dinheiro", então apresente a pergunta "P ≠ NP" e o prêmio dos sete milênios, quando eu estava no ensino médio, li sobre ela embora eu não conhecia as anotações a única coisa que entendo: há grande prêmio e pergunta! outras coisas estariam apresentando a conexão da matemática e da ciência da computação, como: resolver equações, verificar soluções usando computadores.

outras coisas que eu sugeriria é apresentar Alan turing "o pai da ciência da computação" e contar sua história. a última coisa que sugiro são zero provas de conhecimento e o jogo "onde está o Waldo?" e jogando sem trapaça, criptografia e ataques cibernéticos.

Faça qualquer coisa com o facebook, eles adoram. Talvez isso seja difícil demais para iniciantes, mas você deve permitir que eles desenhem gráficos de conexões, que mostram como seus perfis estão conectados. Eu recomendaria o Javascript como linguagem de programação.