לומדים לחשוב אחרת

השימוש הנרחב במחשבים, בטלפונים חכמים ובטאבלטים שינה את האופן שבו אנו חושבים, לומדים ועובדים. אלא שחוקרים ואנשי חינוך רבים טוענים שבוגרים בעידן המאה ה-21 נדרשים לא רק להיות משתמשים וצרכנים של מחשבים, אלא גם בעלי יכולות של חשיבה חישובית (Computational thinking). לשם כך הכריז הנשיא אובמה בשנת 2016 על תכנית לאומית בשם מדעי המחשב לכולם. מטרת התכנית היא להעצים כל תלמיד, מגן הילדים עד התיכון, ולהקנות להם מיומנויות של חשיבה חישוביות על מנת להתמודד עם הזדמנויות כלכליות ולשפר את הניידות (המוביליות) החברתית שלהם.

במאמר שהתפרסם בשנת 2006, ד"ר ז'ינט וינג מאוניברסיטת קולומביה שבארצות הברית התייחסה אל המונח חשיבה חישובית כאל יכולות של פתרון בעיות בשיטות שבהן משתמשים בתחום מדעי המחשב, והחילה אותה גם על תחומי המדעים ומדעי הרוח. לפי הגדרה זו, חשיבה חישובית היא היכולת לפתור בעיה בעזרת יכולות תכנות, חלוקת בעיה לתת-בעיות, שימוש בחשיבה מופשטת, כתיבת אלגוריתם, מימוש הפתרון כתכנית מחשב, בדיקה ואימות של הנתונים, התאוששות מתקלות ועוד.

ואכן, בתכניות שונות להוראת המדעים בעולם, למשל בתכנית NGSS האמריקאית (Next Generation Science Standards), נעשה שימוש בחשיבה חישובית עבור למידה מבוססת מודלים ממוחשבים. לפי מובילי התכניות אלה, זוהי דרך מתאימה לקרב את התלמידים לעבודה המדעית ולאפשר להם לחקור, לפתח תיאוריות הנוגעות לתופעות בעולם ולעשות ניסויים ממוחשבים בצד תצפיות וניסויים בשטח.

השימוש במודלים להוראת המדעים מתאים לתלמידים ברמות שונות החל בבית ספר יסודי, והוא כולל שימוש במודלים קיימים כדי לבחון תופעות מסוימות. ברמות הגבוהות יותר תלמידים מתכננים, מעצבים ובונים מודל ממוחשב ומשתמשים בו כדי לאמת שהמודל הממוחשב שבנו תקין ולתקף השערות על התופעה הנחקרת אל מול תיאוריות ותצפיות ידועות וחדשות.

במכון דוידסון לחינוך מדעי פועלת התכנית פיזיקה חישובית, המשלבת נושאים בפיזיקה, במתמטיקה ובמדעי המחשב. מטרת התכנית היא לקרב תלמידים מצטיינים לעבודה המדעית, ולהתנסות באופן שבו מדענים חוקרים תופעות ופותרים בעיות. בסיום הקורס התלמידים מקבלים פרויקט שבו הם מגדירים בעיה פיזיקלית, ומפתחים סימולציה ממוחשבת בשפת התכנות MATLAB שבאמצעותה הם מחפשים פתרון לבעיה. התלמידים לא רק עובדים אלא גם מתעדים את עבודתם בתיק פרויקט.

שימוש בחשיבה חישובית עבור למידה מבוססת מודלים ממוחשבים הוא דרך מתאימה לקרב את התלמידים לעבודה המדעית | צילום: shutterstock

ניסוי מדעי בסימולציה ממוחשבת

במחקר שנעשה במכון דוידסון לחינוך מדעי נותחו תיקי הפרויקט שכתבו התלמידים בתכנית פיזיקה חישובית במטרה לבחון את הקשר בין יכולות חישוביות ומתמטיות ובין יכולות החשיבה המדעית. ממצאי המחקר ומסקנותיו תוארו במאמר שהוצג בכנס Computational Thinking Education , שהתקיים ביולי 2017 בהונג קונג. המאמר הציג מקרה לדוגמה שניתח את עבודתם של שני תלמידים שביקשו לחקור את בעיית שני הגופים, העוסקת בקשר בין תנועתם של שני גופים ובכוח שהם מפעילים זה על זה.

מטרת התלמידים, כפי שהם הגדירו בתיאור עבודתם, הייתה לחקור את בעיית שני הגופים. תחילה הם קראו מאמרים שדנו בבעיה זו. לאחר מכן הם פיתחו מודל מתמטי שמציג את התנהגותם של שני הגופים ואת הקשרים ביניהם, וכתבו תכנית בשפת MATLAB שפותרת את המודל המתמטי ומציגה את הפתרון בעזרת סימולציה.

השלב הבא ועיקר עבודתם של התלמידים התמקד בביצוע ניסויים ממוחשבים רבים בעזרת הסימולציה שפיתחו, והשוואת תוצאות ההרצה בסימולציה לתוצאות מוכרות מתוך הספרות המדעית. בתהליך זה הם הצליחו להוכיח שנוסחאות וחוקים מתוך התיאוריה אכן מתקיימים בסימולציה, כמו חוקי קפלר, חוק שימור התנע ותנועה מעגלית.

התנסות זו לימדה אותם על עבודת המדען ועל החקר המדעי באמצעות סימולציה ממוחשבת: "שיטת העבודה הזו לא הייתה מוכרת לנו לפני העבודה, או שלא השתמשנו בה פעמים רבות. לכן, מבחינה זו למדנו הרבה מאוד ורכשנו כלים תיאורטיים וחישוביים חדשים".

חשיבה חישובית לעתיד המדע

במהלך עבודתם, התלמידים למדו על מגבלות החישוביות ועל האפשרות שהמחשב עצמו יגרום שגיאות חישוב שעלולות לפגוע בתהליך החקירה המדעית. "הפתרון מתקבל בעזרת קירוב, ולכן התוצאה שהמחשב נותן היא פתרון מקורב ולא הפתרון המתמטי האמיתי", הסבירו בעבודתם. "כך נוצר פער בין המציאות ובין הסימולציה. הפער הזה נעשה משמעותי יותר ככל שהזמן בסימולציה מתקדם". שגיאה זו הביאה אותם לפתח ולממש אלגוריתם אחר שמקטין את השגיאה המצטברת שהסימולציה הממוחשבת הראשונה שבנו יצרה.

משתתפי התכנית שנבדקו במחקר למדו גם על הקשר בין חשיבה מתמטית ובין חשיבה חישובית ועל תרומתה לחקר מדעי של תופעה פיזיקלית: "ככל שחקרנו את הסימולציה שבנינו, כך הגדלנו מאוד את הידע שלנו בנושא הפיזיקלי ושיפרנו את יכולות התכנות שלנו. בייחוד שיפרנו את ההבנה של האופן שבו המחשב יכול לסייע בפתרון בעיות ומשוואות מתמטיות כמו משוואות דיפרנציאליות, וכיצד להשתמש במחשב ככלי מתמטי לחקר בעיות".

ניתוח תוצאות המחקר מראה שחשיבה חישובית היא נדבך חשוב בלימודי המדעים בכלל, ובתכנית הלימודים המעמיקה יותר של התלמידים בתכניות המצטיינים בפרט. אנו מאמינות שחשוב מאוד שבתי הספר יחשפו ויעודדו את התלמידים לעסוק במדע, ויטמיעו את ערכי החשיבה החישובית בהוראה ובלימוד של המקצועות המדעיים. הצלחתה של הגישה הזו תשפיע על האופן שבו התלמידים, שהם מדעני העתיד, יפתרו בעיות מורכבות.