STEM与计算思维

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