STEM與計算思維

第一章 計算思維：智能時代問題解決的基本能力 ………………………………… 1

第一節(jié) 理解計算的本質(zhì)………………………………………………………… 4

一、計算領(lǐng)域的發(fā)展 ……………………………………………………… 4

二、計算原理和性質(zhì) ……………………………………………………… 6

三、計算和計算思維 ……………………………………………………… 9

第二節(jié) 理解計算思維…………………………………………………………… 11

一、計算思維的提出 ……………………………………………………… 12

二、計算思維的概念 ……………………………………………………… 14

三、計算思維的操作性定義 ……………………………………………… 24

第三節(jié) 計算思維的實(shí)踐………………………………………………………… 39

一、計算思維實(shí)踐的依據(jù) ………………………………………………… 40

二、計算思維是考慮應(yīng)用場景的實(shí)踐 …………………………………… 51

三、計算思維是生活問題的形式化描述 ………………………………… 52

四、計算思維是從特殊到一般的問題解決 ……………………………… 55

五、編程是計算思維學(xué)習(xí)的重要途徑 …………………………………… 58

第四節(jié) 面向計算思維的教育…………………………………………………… 64

一、智能時代呼喚計算思維教育 ………………………………………… 65

二、計算思維教育的核心內(nèi)容和實(shí)施策略 ……………………………… 67

三、計算思維教育的目標(biāo)：用計算思維學(xué)習(xí)和思考 …………………… 80

四、計算思維教育的評價 ………………………………………………… 82

本章小結(jié) ………………………………………………………………………… 94

本章回顧與反思…………………………………………………………………… 94

第二章 從技術(shù)實(shí)現(xiàn)到素養(yǎng)培育：指向計算思維教育的 STEM 項(xiàng)目設(shè)計 ………… 97

第一節(jié) 從技術(shù)應(yīng)用到素養(yǎng)導(dǎo)向的計算思維教育 ……………………………… 100

一、課堂技術(shù)學(xué)習(xí)和計算思維培養(yǎng)映射引導(dǎo) …………………………… 101

二、計算思維“應(yīng)用—修改—創(chuàng)作”三階段進(jìn)展模式 ………………… 103

三、《ISTE教育者計算思維能力標(biāo)準(zhǔn)》助力計算思維培養(yǎng) …………… 105

四、從技術(shù)學(xué)習(xí)到核心素養(yǎng)培育的計算機(jī)科學(xué)教育案例 ……………… 108

第二節(jié) 指向核心素養(yǎng)的STEM教育 ………………………………………… 115

一、知識、技能、能力和素養(yǎng) …………………………………………… 116

二、STEM教育是指向能力和素養(yǎng)的教育 ……………………………… 117

三、STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的問題驅(qū)動 ……………………………………… 122

四、STEM是基于課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容設(shè)計 ………………………………… 123

五、STEM是基于學(xué)習(xí)支架的探究過程 ………………………………… 124

第三節(jié) 計算思維和STEM課程的整合………………………………………… 125

一、STEM項(xiàng)目中的計算思維培養(yǎng) ……………………………………… 126

二、計算思維與STEM中的科學(xué)思維 …………………………………… 129

三、計算思維與STEM中的工程思維 …………………………………… 131

四、計算思維與STEM中的數(shù)學(xué)思維 …………………………………… 134

五、計算思維與STEM中的人文藝術(shù)思維 ……………………………… 142

六、計算思維與人工智能思維 …………………………………………… 145

第四節(jié) “STEM 計算思維”項(xiàng)目設(shè)計與實(shí)施模型 ………………………… 150

一、基于計算思維的問題求解步驟 ……………………………………… 150

二、計算思維問題求解模型中的思維關(guān)聯(lián) ……………………………… 152

三、“STEM 計算思維”問題求解模型 ………………………………… 153

四、“STEM 計算思維”項(xiàng)目實(shí)踐 ……………………………………… 155

本章小結(jié) ………………………………………………………………………… 162

本章回顧與反思…………………………………………………………………… 162

第三章 用計算思維思考和學(xué)習(xí)：STEM項(xiàng)目問題解決新途徑 …………………… 165

第一節(jié) STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)與計算思維問題解決 ……………………………… 168

一、高質(zhì)量項(xiàng)目式學(xué)習(xí)框架和項(xiàng)目式學(xué)習(xí)黃金準(zhǔn)則 …………………… 170

二、成為具有計算思維的人 ……………………………………………… 172

三、用計算思維思考和學(xué)習(xí)的工具與環(huán)境 ……………………………… 175

第二節(jié) 計算思維與學(xué)科學(xué)習(xí)：與學(xué)科融合的“STEM 計算思維”實(shí)踐 …… 191

一、 用計算思維學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)：超越高速計算和可視化表達(dá)功能的創(chuàng)新 ……… 193

二、用計算思維學(xué)習(xí)語文：提供詩歌鑒賞和文化分析新視角 ………… 220

三、用計算思維學(xué)習(xí)科學(xué)：在模擬和仿真中探究實(shí)踐 ……………… 230

第三節(jié) 學(xué)生綜合應(yīng)用案例：“校園智能創(chuàng)意音樂節(jié)”項(xiàng)目……………………… 240

一、項(xiàng)目背景 ………………………………………………………………… 241

二、項(xiàng)目任務(wù) ………………………………………………………………… 242

三、項(xiàng)目規(guī)劃 ………………………………………………………………… 243

四、項(xiàng)目實(shí)踐 ………………………………………………………………… 245

五、項(xiàng)目評價 ………………………………………………………………… 252

六、項(xiàng)目解析 ………………………………………………………………… 253

本章小結(jié) …………………………………………………………………………… 254

本章回顧與反思 …………………………………………………………………… 254

第四章 實(shí)踐應(yīng)用與創(chuàng)新：基于STEM的計算思維項(xiàng)目式學(xué)習(xí) …………………… 255

第一節(jié) 計算思維解決社會議題的STEM項(xiàng)目 ………………………………… 258

案例 模擬新冠肺炎傳染過程和防控效果 ………………………………… 259

第二節(jié) 計算思維與硬件系統(tǒng)結(jié)合的STEM項(xiàng)目 ……………………………… 270

案例一 心臟健康的小守護(hù)神——心率遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng) …………………… 271

案例二 音樂手套——觸摸人工智能 ……………………………………… 277

第三節(jié) 計算思維的游戲化教學(xué)項(xiàng)目 …………………………………………… 286

案例一 通過兒童趣味編程游戲Blockly Games培養(yǎng)計算思維 ………… 288

案例二 設(shè)計“森林搜救”迷宮游戲 ……………………………………… 291

第四節(jié) 不插電的計算思維項(xiàng)目 ………………………………………………… 303

案例一 計算思維 空間思維：跟著地圖開啟編程旅程………………… 304

案例二 生肖猜謎活動 ……………………………………………………… 308

第五節(jié) 計算思維與人工智能教育項(xiàng)目 ………………………………………… 311

案例 聊天機(jī)器人 …………………………………………………………… 312

本章小結(jié) ………………………………………………………………………… 318

本章回顧與反思…………………………………………………………………… 318

參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………… 321

后記……………………………………………………………………………………… 335