《STEM与计算思维》一书将计算思维作为一种普遍的态度和一类普适的技能，为STEM教师提供可能的计算思维培养模式和方法，进而帮助学生做好适应未来智能社会生活的能力储备。书中不仅从理论上系统介绍了什么是计算思维，探讨了计算思维与计算机科学及其他学科的关系，深化中小学教师对计算思维的认知，而且提供了大量在STEM教育中如何应用计算思维的案例，通过介绍跨学科项目式学习帮助中小学教师理解计算思维培养的模式和方法，为计算思维学习提供理念、策略和工具支持。
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作者简介
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。主持有教育部“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。
本书目录
精彩试读
一
何为计算思维？
“哪怕是受过最严格训练的专家，如果没有运用先进的计算机进行数据处理的能力，也就永远不能透过纷繁的数据形成自己的洞察力。”
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。概念析疑计算思维是一种信息论的世界观计算思维是人类应用计算来解决问题的思维方式和方法。它是在运用计算机科学解决问题的过程中，融合了诸如算法思维、数据思维、逻辑思维等众多思维模式和方法，提取出需要的建模思想、抽象能力、程序设计能力、数据构造能力以及测试调试能力等，逐渐在计算领域形成的独有的通用思维模式。计算思维从信息及其相关关系角度看世界，用计算的方法解决问题，是一种信息论的世界观。人类在自己的认知过程中开辟了一个虚拟的信息世界，凡是现实物理世界无法理解和解决的问题，都可以通过信息抽象，变换到虚拟信息世界去理解和解决。计算思维的提出代表着人类对于信息这一概念从现象到本质的理解，带来了人类认知能力的提升。这是我们倡导普及计算思维的根本出发点。
二
为何开展计算思维教育？
“21 世纪的学生从出生开始就在数字化、智能化环境中成长，但是，他们的数字素养和用计算思维解决问题的能力并不会因为数字化环境的浸染而自动习得，必须经过刻意的学习和练习，才能真正理解数字社会运作过程，理解计算本质，成为真正意义上的‘数字土著’。”
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。
21世纪的学生从出生开始就在数字化、智能化环境中成长，但是，他们的数字素养和用计算思维解决问题的能力并不会因为数字化环境的浸染而自动习得，必须经过刻意的学习和练习，才能真正理解数字社会运作过程，理解计算本质，成为真正意义上的“数字土著”。计算思维作为一种独特的解决问题的思维方式，正逐步走出其学科专业领域，成为数字化生存的一种普适能力。基于STEM课程的计算思维教育课程，希冀通过项目式学习的方式，为学生提供体验计算思维、应用计算思维、实现计算思维与其他领域相融合的学习机会，发展学生在数字化环境中的适应力和创新力。我们必须从基础教育开始，将计算思维作为适应未来智能社会生活的一项必备技能教授给学生，通过以创新能力培养为目标的STEM教育活动，让计算思维不仅仅是智能的体现，更是人类应对不可预知问题的智慧源泉。
三
“STEM+计算思维”项目设计与实施模型
“在信息社会中，程序驱动的技术工具已经渗透到生活和学习的方方面面，将学习内容与学生个人的经验结合起来，可以更好地促进学生计算思维的发展，将计算思维融入STEM跨学科真实问题求解是培养计算思维的重要途径。”
基于计算思维的问题求解步骤
计算思维通过聚焦信息处理来理解、分析、解决及评估问题。图2-4-1是在著名数学家波利亚（Polya）提出的数学问题求解模型的基础上，加入计算思维解决问题的一些重要元素变换而来的计算思维问题求解模型。
“STEM+计算思维”问题求解模型
在“STEM+计算思维”的真实问题求解模型中，计算思维培养是一个全方位的、实践的、渐进的过程，以数学思维为核心分析现实问题并抽象为概念模型，应用计算思维和编程手段实现将概念模型转化为计算模型，最后以工程思维为核心，利用计算机模拟的计算模型解决现实问题。整个模型是一个界定模型、检验模型和验证模型的循环迭代过程。
应用“STEM+计算思维”问题求解模型进行计算建模，解决真实问题的流程和步骤如下图所示。
四
“STEM+计算思维”项目实践案例
本文节选自《STEM与计算思维》，教育科学出版社2023年7月出版。微信编辑时文章有删减。（丛书分册陆续出版中，敬请期待！）
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