STEM与计算思维

我们处在人与世界彼此渗透、相互影响的环境中，通过体验和认识来把握世界。在此过程中，我们造就了一种全新的、具有广泛意义的思想方法和实践需求，并形成丰厚的思想内涵，进而积淀为人类一种基本的思维智慧。英国有名科幻作家道格拉斯·亚当斯（Douglas Adams）曾用沙子的四个时代来说明技术对人类思想的影响：望远镜让人类知道地球在宇宙中的位置；显微镜让人类看清微观世界的构造；而计算机的海量高速计算和虚拟本质开启了数字世界；互联网和智能技术则产生了万物互联和机器智能。四个时代的共同特点彰显了技术在改变人类世界观方面的力量，驱使人类重新理解世界，调整自己在世界中的定位。所不同的是在利用望远镜和显微镜认识世界的时代，人类和世界在思维领域是分离的关系，当今时代则处于以人工智能技术为代表的新兴技术所创造的与人类日常生活息息相关的、虚实相融的全新计算世界。无论是化身小芯片嵌入我们生活方方面面的计算性能，还是每日产生上亿信息的物联网大数据计算系统，计算技术已经不仅仅是生活中不可或缺的问题解决工具，更是促使人类和世界互动方式发生根本改变的驱动力。计算技术推动人类思维方式发生革命性变化，其中生成的计算思维和传统科学的实证思维以及逻辑思维一起，带领人类社会的生产和生活迈向智能化的未来。为此，人们期待一种全新的教育生态，变革工业化时代建立起来的以知识传授为主的标准化教育体系，培养具有利用计算技术解决问题的能力的创新型人才，以适应可预期的人与人工智能协同进化的未来社会。STEM教育，正是面对这样的现实和未来问题，被寄予承担教育新生态建设的期望，因而成为世界各国教育改革的热点领域。
尽管各国对STEM教育的实施各有侧重，但总体以如下突出的特征与含义来承载教育改革的期望：STEM教育以科学、技术、工程、数学等学科形成的交叉问题域为基础，以培养科技、人文融合创新的跨学科综合性人才为主要目标，在教学中以21世纪人才所需素养为导向，以解决真实情境问题为抓手，借助项目式、问题式学习方式，注重真实性、挑战性任务的突破，培养协同合作能力，以创造性解决问题的方式评估学生核心素养的形成。其中，计算思维（Computational Thinking，简称CT）是STEM教育的重要内容。
面对信息化、智能化的世界，人类需要开发新的工具来掌握、理解、控制和体验计算技术和设备，更需要全新的思维方式，使我们能够看透计算技术的本质，以创造性的方式理解和使用这些技术。计算思维作为计算领域对人类思维的独特贡献，是指个体运用计算机科学领域的思想方法，在问题解决过程中的抽象、分解、建模、算法设计和自动化、智能化等思维活动，也是运用计算机和互联网及其他信息处理代理有效执行人类构造和表述问题的思维过程。作为一种思维工具，计算思维首先传承自数学的算法思维，要求对问题能够产生形式化的描述和定义；但计算思维不仅需要描述解决一个问题的方法，更要求有让一台计算机真正解决这个问题的实践方案，因而计算思维同时还具有明显的工程技术性质。作为一种思维活动，计算思维是科学、技术、工程和数学等学科领域思维交叉融合的产物，由此还诞生了计算这一全新的科学领域。计算思维作为计算科学领域的主要思维，强调对信息的变换，而不是简单的信息发现、分类、存储或通信。如今，计算思维不仅是计算机科学家和数字工程师的专业兴趣，它还跨越各个学科领域，成为信息时代非常基本的思维方式。国防科技大学的朱亚宗（2009）教授从人类认识世界和改造世界的思维方式出发，认为计算思维已经成为与理论思维（Theoretical Thinking）和实验思维（Experimental Thinking）同等重要的三大科学思维之一。美国《规划未来，迎接人工智能时代》报告中指出，计算思维已经成为所有科学、技术、工程和数学领域人才的重要技能和核心竞争力。人工智能时代需要培养具有计算思维的人才。传统科学家和工程师也正努力向具备计算思维的STEM专业人员转变。

第一章 计算思维：智能时代问题解决的基本能力
第一节 理解计算的本质
一、计算领域的发展
二、计算原理和性质
三、计算和计算思维
第二节 理解计算思维
一、计算思维的提出
二、计算思维的概念
三、计算思维的操作性定义
第三节 计算思维的实践
一、计算思维实践的依据
二、计算思维是考虑应用场景的实践
三、计算思维是生活问题的形式化描述
四、计算思维是从特殊到一般的问题解决
五、编程是计算思维学习的重要途径
第四节 面向计算思维的教育
一、智能时代呼唤计算思维教育
二、计算思维教育的核心内容和实施策略
三、计算思维教育的目标：用计算思维学习和思考
四、计算思维教育的评价
本章小结
本章回顾与反思

第二章 从技术实现到素养培育：指向计算思维教育的STEM项目设计
第一节 从技术应用到素养导向的计算思维教育
一、课堂技术学习和计算思维培养映射引导
二、计算思维“应用-修改-创作”三阶段进展模式
三、《ISTE教育者计算思维能力标准》助力计算思维培养
四、从技术学习到核心素养培育的计算机科学教育案例
第二节 指向核心素养的STEM教育
一、知识、技能、能力和素养
二、STEM教育是指向能力和素养的教育
三、STEM项目式学习的问题驱动
四、STEM是基于课程标准的内容设计
五、STEM是基于学习支架的探究过程
第三节 计算思维和STEM课程的整合
一、STEM项目中的计算思维培养
二、计算思维与STEM中的科学思维
三、计算思维与STEM中的工程思维
四、计算思维与STEM中的数学思维
五、计算思维与STEM中的人文艺术思维
六、计算思维与人工智能思维
第四节 “STEM+计算思维”项目设计与实施模型
一、基于计算思维的问题求解步骤
二、计算思维问题求解模型中的思维关联
……

第三章 用计算思维思考和学习：STEM项目问题解决新途径
第四章 实践应用与创新：基于STEM的计算思维项目式学习

参考文献
后记