《STEM与计算思维/“中国STEM教育2029行动计划”丛书》 - 台灣·大書城 - 于晓雅著 - 教育科学出版社有限公司

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『簡體書』STEM与计算思维/“中国STEM教育2029行动计划”丛书

書城自編碼： 3899091
分類：簡體書→大陸圖書→中小學教輔→教育理论/教师用书
作者：于晓雅著
國際書號(ISBN)： 9787519132347
出版社：教育科学出版社有限公司
出版日期： 2023-07-01

頁數/字數： /
書度/開本： 16开釘裝：平装

售價：NT$ 347

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編輯推薦：

用计算的视角审视世界用计算的语言表征世界用计算的方法建构世界

內容簡介：

本书主要就“STEM 计算思维”教育，从理解本质和特征属性、掌握解决问题的实践案例入手，深刻剖析STEM中计算思维培养的路径和策略，带领大家在掌握、理解、控制和体验中，创造性地理解和使用承载计算思维的技术、工具和方法。全书从STEM教育视角分析STEM教育跨学科、整合性、挑战性的特征，分析了STEM教育中的设计方法和基于支架的学习过程，阐释了计算思维与STEM整合过程中对科学、技术、工程与数学的作用，提出了一个“STEM 计算思维项目设计与实施”的模型，提供了丰富多样的模型实现案例。本书结构层次清晰，逐层递进，有助于教师在教学实施中将计算思维应用于STEM教育中。

關於作者：

于晓雅，北京教育学院人工智能和创客教育研究中心主任，工学博士，副教授，硕士生导师，北京市高校教学名师，兼任中国教育学会中小学信息技术教育专业委员会常务理事等。长期从事中小学信息科技与人工智能教育、STEM和创客教育、信息技术融合学科教育研究及中小学教师培训工作。主持教育部“国培计划”项目及北京市名师发展工程等卓越教师研修项目，承担多项国家和省部级研究课题，主编多部国家教材，发表中英文论文40余篇。曾获北京市基础教育教学成果奖一等奖。

第一章计算思维：智能时代问题解决的基本能力 ………………………………… 1
第一节理解计算的本质………………………………………………………… 4
一、计算领域的发展 ……………………………………………………… 4
二、计算原理和性质 ……………………………………………………… 6
三、计算和计算思维 ……………………………………………………… 9
第二节理解计算思维…………………………………………………………… 11
一、计算思维的提出 ……………………………………………………… 12
二、计算思维的概念 ……………………………………………………… 14
三、计算思维的操作性定义 ……………………………………………… 24
第三节计算思维的实践………………………………………………………… 39
一、计算思维实践的依据 ………………………………………………… 40
二、计算思维是考虑应用场景的实践 …………………………………… 51
三、计算思维是生活问题的形式化描述 ………………………………… 52
四、计算思维是从特殊到一般的问题解决 ……………………………… 55
五、编程是计算思维学习的重要途径 …………………………………… 58
第四节面向计算思维的教育…………………………………………………… 64
一、智能时代呼唤计算思维教育 ………………………………………… 65
二、计算思维教育的核心内容和实施策略 ……………………………… 67
三、计算思维教育的目标：用计算思维学习和思考 …………………… 80
四、计算思维教育的评价 ………………………………………………… 82
本章小结 ………………………………………………………………………… 94
本章回顾与反思…………………………………………………………………… 94
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 ………… 97
第一节从技术应用到素养导向的计算思维教育 ……………………………… 100
一、课堂技术学习和计算思维培养映射引导 …………………………… 101
二、计算思维“应用—修改—创作”三阶段进展模式 ………………… 103
三、《ISTE教育者计算思维能力标准》助力计算思维培养 …………… 105
四、从技术学习到核心素养培育的计算机科学教育案例 ……………… 108
第二节指向核心素养的STEM教育 ………………………………………… 115
一、知识、技能、能力和素养 …………………………………………… 116
二、STEM教育是指向能力和素养的教育 ……………………………… 117
三、STEM项目式学习的问题驱动 ……………………………………… 122
四、STEM是基于课程标准的内容设计 ………………………………… 123
五、STEM是基于学习支架的探究过程 ………………………………… 124
第三节计算思维和STEM课程的整合………………………………………… 125
一、STEM项目中的计算思维培养 ……………………………………… 126
二、计算思维与STEM中的科学思维 …………………………………… 129
三、计算思维与STEM中的工程思维 …………………………………… 131
四、计算思维与STEM中的数学思维 …………………………………… 134
五、计算思维与STEM中的人文艺术思维 ……………………………… 142
六、计算思维与人工智能思维 …………………………………………… 145
第四节 “STEM 计算思维”项目设计与实施模型 ………………………… 150
一、基于计算思维的问题求解步骤 ……………………………………… 150
二、计算思维问题求解模型中的思维关联 ……………………………… 152
三、“STEM 计算思维”问题求解模型 ………………………………… 153
四、“STEM 计算思维”项目实践 ……………………………………… 155
本章小结 ………………………………………………………………………… 162
本章回顾与反思…………………………………………………………………… 162
第三章用计算思维思考和学习：STEM项目问题解决新途径 …………………… 165
第一节 STEM项目式学习与计算思维问题解决 ……………………………… 168
一、高质量项目式学习框架和项目式学习黄金准则 …………………… 170
二、成为具有计算思维的人 ……………………………………………… 172
三、用计算思维思考和学习的工具与环境 ……………………………… 175
第二节计算思维与学科学习：与学科融合的“STEM 计算思维”实践 …… 191
一、用计算思维学习数学：超越高速计算和可视化表达功能的创新 ……… 193
二、用计算思维学习语文：提供诗歌鉴赏和文化分析新视角 ………… 220
三、用计算思维学习科学：在模拟和仿真中探究实践 ……………… 230
第三节学生综合应用案例：“校园智能创意音乐节”项目……………………… 240
一、项目背景 ………………………………………………………………… 241
二、项目任务 ………………………………………………………………… 242
三、项目规划 ………………………………………………………………… 243
四、项目实践 ………………………………………………………………… 245
五、项目评价 ………………………………………………………………… 252
六、项目解析 ………………………………………………………………… 253
本章小结 …………………………………………………………………………… 254
本章回顾与反思 …………………………………………………………………… 254
第四章实践应用与创新：基于STEM的计算思维项目式学习 …………………… 255
第一节计算思维解决社会议题的STEM项目 ………………………………… 258
案例模拟新冠肺炎传染过程和防控效果 ………………………………… 259
第二节计算思维与硬件系统结合的STEM项目 ……………………………… 270
案例一心脏健康的小守护神——心率远程监测系统 …………………… 271
案例二音乐手套——触摸人工智能 ……………………………………… 277
第三节计算思维的游戏化教学项目 …………………………………………… 286
案例一通过儿童趣味编程游戏Blockly Games培养计算思维 ………… 288
案例二设计“森林搜救”迷宫游戏 ……………………………………… 291
第四节不插电的计算思维项目 ………………………………………………… 303
案例一计算思维空间思维：跟着地图开启编程旅程………………… 304
案例二生肖猜谜活动 ……………………………………………………… 308
第五节计算思维与人工智能教育项目 ………………………………………… 311
案例聊天机器人 …………………………………………………………… 312
本章小结 ………………………………………………………………………… 318
本章回顾与反思…………………………………………………………………… 318
参考文献………………………………………………………………………………… 321
后记……………………………………………………………………………………… 335

內容試閱：

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。英国著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，引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，计算思维首先传承于数学的算法思维，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，成为信息时代最基本的思维方式。国防科技大学的朱亚宗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。
从当前众多实践案例可知，STEM教育在科学性、人文性、工程性方面已经取得超越传统教育的变革成效。在真实世界里计算技术早已无处不在，然而体现智能时代问题解决特征的计算思维教育还处于初期阶段。计算思维教育的提出，是因为计算机、互联网和人工智能技术的出现改变了人类解决问题的观念、思维和方式，教育领域需要做出改变，以便学生能够为在全新的智能时代工作和生活做好准备。最早提出计算思维教育的是人工智能领域的前沿学者、美国麻省理工学院教授西摩·佩珀特（Seymour Papert），他在1980年就已经使用“计算思维”这个术语，以此来展望学生如何在未来使用计算机进行学习。而让计算思维教育走进我国大众视野的是周以真（Jeannette M．Wing）教授，她在2010年提出计算思维是21世纪公民必备的一种基本思维智慧，应从基础教育开始进行跨学科计算思维培养。在她的号召和推动下，计算思维教育作为STEM教育的重要内容，被包括我国在内的世界众多国家先后纳入大学计算机科学教育课程以及基础教育国家课程。近年来的研究表明，学生的计算思维能力与他们的STEM职业兴趣和对探究的态度存在显著的相关性，可以通过培养计算思维技能，如创造力、算法思维、合作思维和批判性思维，来提高学生的STEM职业兴趣和对探究的态度。
综上所述，面对计算技术的加速发展及其对人类世界的巨大影响，再加上计算思维本身具有思维和实践的双重属性，如何以创造性和跨学科的方式培养计算思维，就成为一个迫切需要解决的问题，这个问题也是STEM教育的应有之义，因为这个问题非常复杂且具有挑战性，所以需要引起学术界的广泛关注和高度重视。

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