基于STEM教育，培养计算思维
近年来，有关少儿编程教育的广告随处可见，称“每一个人都需要学习编程，编程将成为像读、写、算一样，是个人必备的认知技能”,因而获得了不少家长的追捧。这一现象背后虽然有资本市场的力量和家长的急于育儿成才之心，之心，但也彰显了时代发展的趋势。
自20世纪40年代以来，计算科学获得了迅猛的发展，信息的重要性逐渐在人类社会发展的方方面面凸显出来。计算机从专业设备发展到各个行业不可或缺的工具，进而成为一种发现新知识的手段。诺贝尔物理学奖获得者Ken.Wilson指出“计算已成为除了理论和实验之外，科学研究的第三条腿”。2010年《Nature》杂志推出了Big Data专栏，代表了一个新时代的到来，它意味着数据正逐步成为一种新形式的资本，信息成为和物质、能量同等重要的资源，成为国民经济活动的主要内容。
时变势变，人类以物质流驱动的商业模式正转变为以信息流驱动的商业模式。计算已成为经济发展的排头兵，科学研究的主要手段之一，人类创新的重要来源。在此背景下，信息技术走进基础教育乃大势所趋。
在这一点上，商业实践显然走在了学校教育的前面，但是实际情况却并不如广告宣传的那样光鲜亮丽。首先，广告宣传过于片面。你知道的是比尔盖茨、扎克伯格，以及已故的乔布斯等互联网界的大佬们不遗余力地向美国的每一个孩子“安利”编程。但你不知道的是，乔布斯限制自己的孩子接触电子产品。你知道的是硅谷作为美国IT的中心，创造了一个又一个的商业奇迹；你不知道的是硅谷精英们纷纷把自己的孩子送进一个完全没有电子设备的小学去接受教育。两者矛盾由何而生？其次，纵观世界各国关于“推进基础教育中计算机科学知识的培养”而制定的标准和政策，尽管表述不尽相同，有的采用“信息素养教育”，有的采用“计算机科学教育”，有的采用“信息技术教育”，但很少使用“编程教育”一词。将其简化为“编程教育”完全是商业误读。信息科学领域目前还属于快速发展变化时期，美国等发达国家虽然将计算机科学教育的培养写入了K-12教育体系，但也仍然处于摸索试探阶段，绝不是商业编程教育中描述的设计几个小游戏，讲一讲结构、参数等概念就可以实现的。
基础教育的决策反应周期长达十几甚至几十年，影响覆盖个人身心、民族发展和国家大局，修正难度大，甚至无可挽回。因此，两者如何结合，值得我们深思。
计算思维是什么？
追溯“普及计算机知识教育”的源头，不得不提2006年国际计算机顶级期刊《Communications of the
ACM》上发表的一篇名为《计算思维》的文章。文中，美国国家自然科学基金会副主任、卡内基梅隆大学的周以真教授振臂一呼“计算思维将成为像读、写、算一样，每个人必备的认知技能”，彼时，教育界应者如云，由此拉开了全民学习计算机科学知识的大幕。目前，世界各国所制定的相关标准和政策，核心都在于计算思维培养。那么什么是计算思维？计算思维是不是就是编程？要回答这些问题，就得从计算思维提出的历史背景起始。
计算思维是信息社会发展的产物。现在，“信息”一词在我们的生活中随处可见，如信息革命、信息时代、信息高速公路等。但历史上，人类对于信息的认知却只有几十年的历史。20世纪初期，电话和电报在欧洲和美国已经相当普及，但却没有一个词能准确的概述公司的主营业务。电线和电磁波中传输的是什么？仅仅只是电流吗？直到20世纪40年代，香农借助数学和概率语言，将信息彻底从其物理细节中抽象出来，并将Bit定义为测量信息的单位，这一问题才有了答案。电线和电磁波中传输的是信息，电流和电波都是信息的载体。同一时期，维纳在其著作《控制论》中，正式表述：“信息就是信息，既不是物质也不是能量”。由此，奠定了目前公认的世界组成三大基本要素：物质、能量和信息。之后，随着计算能力的飞速发展，人类拥有了处理大规模信息的能力。伴随着信息加工和处理的实践，人类对其有了从现象到本质的了解,才真正进入了信息时代。
计算思维这一概念正是在这一时代背景下提出的。其本质是“人类从信息的角度认知世界这种思想和方法”的逐渐成熟，是一种新的信息论的世界观。人类在宇宙面前渺小如尘埃，我们对于外部世界的认知，如盲人摸象，只能从不同的角度或者细节出发去探索，再把它们通过想象、推理等整合在一起，由此构建现实世界的宏大图景。传统的世界观是从物质和能量角度认知世界，强调确定性的因果和逻辑关系，而从信息及其相关关系角度理解世界，则是一个全新的视角。
正如《大数据时代》一书中，所写的：“我们无须再紧盯事物之间的因果关系，而应该寻找事物之间的相关关系，这会给我们提供非常新颖且有价值的观点。”
中国传统思想认为事情能否达成，涵盖“道法术器”四个层次。“道”具有方向性的指导作用，是事情成败的首要因素。对于计算思维的培养，“道”则指的是“从信息及其关联性角度看问题”这一世界观，而不是编程。这一点，回溯“自然语言处理”领域的发展历史，非常具有说服力。1956年夏，20世纪IT界最优秀的科学家们汇聚达沃斯，这一历史时刻成为人工智能概念提出的原点。然而这些最会编程的人，却由于他们对自然语言处理理解的误区，导致这一领域绕了20多年弯路而一无所获，直到统计语言模型的出现才重获新生。认知能力，而不是编程能力，才是一个人核心竞争力的体现，才是一件事能否达成背后的客观规律。从信息及其相关关系的角度观察和解释世界，极大扩展了人类的认知范畴，这一点才是全民普及计算思维的根本出发点。
计算思维怎么教？
美国2016年发布了《K-12计算机科学框架》，提倡基于STEM教育进行计算思维的培养，同时花了大量的人力物力推广STEM（教育。那么什么是STEM教育？从字面上理解，是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）。但STEM 教育绝不是四门学科的简单叠加，而是强调知识的交叉和融合。
我们现在实行的分科教育始于19世纪以后的西方，这种教育模式有助于专业人才的培养。但是自20世纪以来，西方教育体系逐渐意识到这种分科之学造成了科学和人文的割裂，以及学生认知体系的碎片化，因此开始强调通识教育和学科融合。生活中没有抽象的学科，无论是数学、物理，还是其他的任何一门看似抽象的学科都不是凭空出现的，而是人类在一步步观察生活，动手实践中发展出来的。回顾科学发展史，这样的例子不胜枚举。比如热力学体系的构建。18世纪热机已经非常普及,但如何改进热机效率仍然无据可依；卡诺首先注意到了由热产生动力这一过程中,一定伴随热从高温到低温的转移,从而找到了热机效率与温差的关系。在卡诺去世的11年后，焦耳进一步测定出了热功当量，证实了热是一种能量而不是一种物质。德国学者克劳修斯又进一步用数学的方法解释了为什么热做功需要温差，由此奠定了热力学体系的基础。STEM教育的立足点不在于项目驱动，不在于高大上的实践材料和设备，而在于生活，其本质是遵从人类认知过程的内在规律----从实物和实践中来，再回到实践中去，以此构建学生的自主学习体系，培养创新精神。
创新从哪里来？就是不断的观察、实践和思考。用一颗孩子般天真的好奇心，观察世界，在不断的实践中体会和领悟万事万物背后的联系。人类天生不善于理解抽象的东西，所以当知识模糊了其本来面目，只剩下高冷的数学公式时，孩子们就不知道自己为什么要学习，学这些东西有什么用？又何谈去主动探索和创新。
现在，计算机早已是我们生活中离不开的一部分。因此，我们主张立足生活，开展基于STEM的计算思维教育。比如，针对小学低年级的STEM案例---“交通规则”，其教学实施可以包含四部分。（1）生活观察：让孩子们初步了解交通规则，然后分组观察不同时段、不同路口交通灯的变化，寻找和讨论其中的变化规律；（2）实践操作：用led模块实现不同灯光之间的转换，理解交通灯变换背后的控制和电路原理；（3）情景模拟：设计出来的变换灯光模块是否可以应用到某个场景中，比如可以放在教室门口，上课的时候，不允许被人打扰，可以显示红灯，下课的时候，可以显示绿灯；（4）知识扩展：交通灯用光传递信息，手机铃声用声音传递信息，还有马路上呼啸而过的救护车发出嘀咕嘀咕的声音，光和声音的物理特点和属性？适用什么场合？……从一点出发，引导思维，可以提出各种各样的问题，启发思考。如是，用生活贯穿知识，以人文培养科学，才是STEM教育的硬核。
对于基础教育中计算思维的培养，如果从“道法术器”4个方面来概括。则“道”是“从信息及其关联性角度看问题”这一世界观。“法”指的是基于STEM教育开展计算思维培养，强调观察生活和动手实践，如此才能理解生活、适应生活与创造生活。“术”，包括教师个人素质，以及教师对课堂教学活动的组织能力。而“器”是指教学中的物质资源。对比西方发达国家和我国，以及我国东部发达地区和中西部经济不发达地区，后者在“器”这个层面具有不小的劣势，唯有不断加强师资培养，提升教师素质，如是才能弥补“器”的不足，弥合教育鸿沟，保证未来的国家竞争力。
