莫健櫻 馮泰民

（南寧師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，廣西 南寧 530100）

一、引言

2006年，周以真教授在發(fā)表的《Computational Thinking》一文中給出了計(jì)算思維的定義，即計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念，求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為的一系列思維活動[1]。在社會快速發(fā)展的今天，計(jì)算和信息從根本上改變了人們生活和工作的方式，而計(jì)算思維作為21世紀(jì)的一種重要能力，逐漸成為人們解決問題的一種思維方式和思維習(xí)慣。

計(jì)算思維的價(jià)值和意義日益凸顯，成為當(dāng)前世界各國計(jì)算機(jī)界、教育界等領(lǐng)域廣為關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)話題。如美國在《K-12計(jì)算機(jī)科學(xué)框架》中高度重視計(jì)算思維，將計(jì)算思維作為計(jì)算機(jī)科學(xué)實(shí)踐的核心，并對其進(jìn)行系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)，倡導(dǎo)計(jì)算機(jī)科學(xué)教育全民性，人人都享有機(jī)會[2]。新加坡通過興趣引導(dǎo)的形式從不同學(xué)齡段著手培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，有針對學(xué)前階段的Playmaker計(jì)劃、小學(xué)階段的“趣味編程”計(jì)劃、中學(xué)階段的新課程“O級計(jì)算”[3]。2017年，我國發(fā)布的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》明確將計(jì)算思維列為信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)[4]。近年來，國內(nèi)基于計(jì)算思維開展了大量的研究與實(shí)踐，但是關(guān)于其目前的發(fā)展情況和研究熱點(diǎn)尚不清晰。所以，本文將對這些研究成果進(jìn)行梳理與分析，以利于系統(tǒng)把握當(dāng)前國內(nèi)計(jì)算思維研究的現(xiàn)狀與熱點(diǎn)，以期為計(jì)算思維的后續(xù)研究提供參考。

二、研究設(shè)計(jì)

（一）數(shù)據(jù)來源

樣本數(shù)據(jù)來源于CNKI數(shù)據(jù)庫，采集于2021年4月10日。在高級檢索中選擇“期刊”，檢索項(xiàng)選擇“關(guān)鍵詞”，檢索詞為“計(jì)算思維”，來源類別選擇中文核心期刊和CSSCI，檢索作者、時(shí)間不限，共檢索出251篇文獻(xiàn)。剔除重復(fù)及與研究相關(guān)度不高的文獻(xiàn)，最終得到有效文獻(xiàn)243篇。

（二）研究方法與工具

研究方法上主要運(yùn)用共詞分析法與聚類分析法進(jìn)行定量分析。共詞分析法通過統(tǒng)計(jì)文獻(xiàn)中詞匯或名詞短語的共現(xiàn)情況，來判斷研究學(xué)科或領(lǐng)域的熱點(diǎn)及其之間的關(guān)系。再輔以聚類分析法對研究領(lǐng)域關(guān)鍵詞進(jìn)行歸類，進(jìn)一步判定研究領(lǐng)域中研究主題的內(nèi)部關(guān)聯(lián)及與其他主題之間的相互關(guān)系，從而揭示該研究主題的現(xiàn)狀、熱點(diǎn)等。工具上主要使用Bicomb、SPSS、Ucinet、Net Draw等統(tǒng)計(jì)分析工具。

三、研究現(xiàn)狀與熱點(diǎn)分析

（一）文獻(xiàn)時(shí)空特征

通過文獻(xiàn)走勢圖能在一定程度上了解國內(nèi)計(jì)算思維研究的發(fā)展趨勢。圖1統(tǒng)計(jì)了各年份的發(fā)文量。

圖1 計(jì)算思維研究的核心期刊發(fā)文量統(tǒng)計(jì)

從圖1可以看出，我國計(jì)算思維研究在核心期刊的發(fā)文量總體保持上升的態(tài)勢，但論文發(fā)表總數(shù)較少。2009年1月，計(jì)算思維在董榮勝等人發(fā)表的《計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)方法論》[5]一文中首次作為文章關(guān)鍵詞被使用。直到2014年，39篇的發(fā)文量是一個(gè)爆發(fā)點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)，究其原因，《計(jì)算思維教學(xué)改革宣言》正式發(fā)布，明確了計(jì)算思維培養(yǎng)在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中的中心地位，并把計(jì)算思維培養(yǎng)提升到了創(chuàng)新人才培養(yǎng)和國家發(fā)展的高度[6]。此后幾年，發(fā)文量有所波動，每年的發(fā)文量在20篇左右。隨著2018年初教育部印發(fā)《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》，發(fā)文量在2019年達(dá)到了歷史新高（40篇），說明計(jì)算思維研究在經(jīng)歷短暫熱潮后，開始走向深度挖掘，有關(guān)研究進(jìn)入新的發(fā)展期，同時(shí)也說明了，計(jì)算思維研究具有政策導(dǎo)向，緊跟時(shí)代的步伐。

（二）高頻關(guān)鍵詞分析

運(yùn)用Bicomb（書目共現(xiàn)分析系統(tǒng)）對243篇 文獻(xiàn)中的關(guān)鍵詞進(jìn)行提取和數(shù)據(jù)清洗，將其中的同義詞、無實(shí)義詞等進(jìn)行合并與刪除，如慕課和MOOC、評價(jià)和計(jì)算思維評價(jià)等，最終提取出419個(gè)關(guān)鍵詞，總的出現(xiàn)頻次為1051次。參考陳瑜林文章中提到的高頻關(guān)鍵詞選擇標(biāo)準(zhǔn)[7]，以及根據(jù)關(guān)鍵詞頻次的實(shí)際分布情況，取頻次≧5的前31個(gè)高頻關(guān)鍵詞作為主要分析對象（見表1），累計(jì)百分比達(dá)到了52.90%。由表1可初步地了解近年來國內(nèi)計(jì)算思維研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和發(fā)展情況。除檢索詞外，排名較靠前的關(guān)鍵詞有大學(xué)計(jì)算機(jī)（33）、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)（27）、教學(xué)改革（22）、編程教育（20）、人工智能（16）等。僅使用簡單的關(guān)鍵詞頻次統(tǒng)計(jì)，還難以發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵詞之間的關(guān)聯(lián)，所以，還需利用關(guān)鍵詞共現(xiàn)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)掘關(guān)鍵詞之間的關(guān)系。

表1 高頻關(guān)鍵詞統(tǒng)計(jì)

（三）高頻關(guān)鍵詞的Ochiai系數(shù)相異矩陣

基于以上提取的關(guān)鍵詞，首先，運(yùn)用Bicomb進(jìn)行共詞分析，得到詞篇矩陣。接著，在SPSS中導(dǎo)入所得詞篇矩陣，選擇Ochiai系數(shù)將其轉(zhuǎn)化為31×31的共詞相似矩陣。最后，構(gòu)建相異矩陣，利用“相異矩陣=1—相似矩陣”得到相異矩陣 （見表2），矩陣中數(shù)值越接近1，表示關(guān)鍵詞之間關(guān)系越疏遠(yuǎn)；越接近0，則關(guān)系越密切。由表2可知，與計(jì)算思維距離由遠(yuǎn)到近的關(guān)鍵詞依次為：人工智能（0.756）、編程教育（0.716）、教學(xué)改革（0.694）、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)（0.661）、大學(xué)計(jì)算機(jī)（0.625）。結(jié)果表明，計(jì)算思維的研究更多的是集中在大學(xué)計(jì)算機(jī)，在高等教育的計(jì)算機(jī)學(xué)科領(lǐng)域研究較多，還較少與人工智能、編程教育等學(xué)科結(jié)合起來。

表2 高頻關(guān)鍵詞相異矩陣（部分）

（四）高頻關(guān)鍵詞社會網(wǎng)絡(luò)及分析

在Bicomb生成31×31的高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)矩陣，將共現(xiàn)矩陣導(dǎo)入U(xiǎn)cinet進(jìn)行可視化分析，利用內(nèi)嵌的Net Draw繪制關(guān)鍵詞社會網(wǎng)絡(luò)（見圖2），進(jìn)一步揭示計(jì)算思維研究熱點(diǎn)間的內(nèi)部關(guān)系特征。依據(jù)關(guān)鍵詞在社會網(wǎng)絡(luò)圖中的聯(lián)系，可知計(jì)算思維位于社會網(wǎng)絡(luò)的中心位置，反映了研究的定位和核心。大學(xué)計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)、教學(xué)改革、編程教育、信息素養(yǎng)、程序設(shè)計(jì)、信息技術(shù)位于社會網(wǎng)絡(luò)的中部地帶，是連接核心主題和邊緣主題的紐帶，表明計(jì)算思維融入了教學(xué)改革中，以計(jì)算機(jī)、編程、信息技術(shù)為學(xué)科載體來培養(yǎng)學(xué)生。計(jì)算思維評價(jià)、問題解決、K-12、STEM、核心素養(yǎng)、教學(xué)設(shè)計(jì)、可視化編程、項(xiàng)目式教學(xué)、問題導(dǎo)向等關(guān)鍵詞位于社會網(wǎng)絡(luò)的邊緣，代表著目前計(jì)算思維研究的熱點(diǎn)和正在興起的研究領(lǐng)域。隨著計(jì)算思維被列為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)，將計(jì)算思維推向了K-12教育階段，以可視化編程為主要途徑培養(yǎng)計(jì)算思維，并在STEM中有效發(fā)展計(jì)算思維。問題解決是從學(xué)生的層面回答了計(jì)算思維所要發(fā)展的學(xué)生的能力，計(jì)算思維評價(jià)、教學(xué)設(shè)計(jì)、項(xiàng)目式教學(xué)、問題導(dǎo)向則是從教育者的層面說明了教育者在應(yīng)對新理念時(shí)所需進(jìn)行的教學(xué)融合與探索。

圖2 高頻關(guān)鍵詞社會網(wǎng)絡(luò)圖譜

（五）高頻關(guān)鍵詞聚類圖譜及分析

聚類分析是基于關(guān)鍵詞兩兩共現(xiàn)的頻率為分析對象，把關(guān)系密切的關(guān)鍵詞聚集在一起形成類團(tuán)，關(guān)鍵詞越相似其距離越近，反之，則越遠(yuǎn)。將31×31的相似矩陣導(dǎo)入SPSS中進(jìn)行系統(tǒng)聚類，得到高頻關(guān)鍵詞聚類圖譜（見圖3）。由圖3可知，計(jì)算思維研究分為三大類：大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)改革和課程體系建設(shè)研究（種類1）、K-12中信息技術(shù)相關(guān)研究（種類2）、教學(xué)實(shí)踐中面向教學(xué)策略、教學(xué)模式的深入探索研究（種類3）。

圖3 高頻關(guān)鍵詞聚類圖譜

種類1：大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)改革和課程體系建設(shè)研究，主要包括計(jì)算思維、大學(xué)計(jì)算機(jī)、教學(xué)改革、程序設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程體系等13個(gè)關(guān)鍵詞?！毒判Ｂ?lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》[8]的發(fā)布，把“計(jì)算思維能力的培養(yǎng)”列為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)，掀起了深層次的高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革。教學(xué)改革方面，針對當(dāng)前高等院校、職業(yè)院校等計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)現(xiàn)狀以及存在的問題，提出以計(jì)算思維培養(yǎng)為良好切入點(diǎn)，探討以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為目標(biāo)導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程，并對改革方案進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐。如戰(zhàn)德臣等分析了大學(xué)計(jì)算機(jī)課程在面向計(jì)算思維的教學(xué)改革中存在的困難和矛盾，建設(shè)了MOOC+SPOCs課程，并在實(shí)踐的基礎(chǔ)上提出了教學(xué)改革思路與建議[9]。課程體系建設(shè)方面，新工科背景下在通識型課程、技術(shù)型課程與交叉型課程中強(qiáng)調(diào)以交叉融合和強(qiáng)化實(shí)踐為特征，重視教學(xué)內(nèi)容的建設(shè)和教學(xué)方法的改革[10]。打破傳統(tǒng)課程內(nèi)容，將不同課程、不同學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容整合在一起，如將程序設(shè)計(jì)、算法等與新技術(shù)應(yīng)用融合在一起的Python與機(jī)器學(xué)習(xí)、Python與數(shù)據(jù)分析等。目前計(jì)算思維也融入于軍隊(duì)院校、農(nóng)類院校、化工類院校等的課程中，如基于計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，對文科類軍隊(duì)院校計(jì)算機(jī)課程進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建，做到分層教學(xué)與因材施教[11]。計(jì)算思維能力的培養(yǎng)不應(yīng)局限于計(jì)算機(jī)專業(yè)、理科專業(yè)，在非計(jì)算機(jī)專業(yè)、文科專業(yè)上也要同樣重視。教學(xué)內(nèi)容的重構(gòu)，相應(yīng)地要積極探索合適的教學(xué)方法，如基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)、案例教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、MOOC、MOOC+SPOC等，以發(fā)展計(jì)算思維能力。

種類2：K-12中信息技術(shù)相關(guān)研究，主要包括信息技術(shù)、核心素養(yǎng)、K-12、計(jì)算思維評價(jià)、編程教育、人工智能等12個(gè)關(guān)鍵詞。K-12中有關(guān)計(jì)算思維的培養(yǎng)主要是將其融入中小學(xué)信息技術(shù)課程中，以編程教育為主要培養(yǎng)途徑，與人工智能結(jié)合，旨在培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的問題解決能力。如在信息技術(shù)、編程教育、人工智能等學(xué)科，科學(xué)構(gòu)建課程核心素養(yǎng)或信息素養(yǎng)的框架及內(nèi)容，緊跟時(shí)代發(fā)展，聚焦國家人才培養(yǎng)戰(zhàn)略之需[12]；對校本課程、教材的設(shè)計(jì)與開發(fā)，并實(shí)施改進(jìn)以總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)立具有本土特色的課程或教材，以適應(yīng)不同地區(qū)、不同學(xué)校實(shí)際，推動信息技術(shù)課程深入發(fā)展[13]。評價(jià)是教學(xué)當(dāng)中不可缺少的環(huán)節(jié)，同樣的在計(jì)算思維的培養(yǎng)中對其的評價(jià)也是十分重要的。然而，國內(nèi)有關(guān)計(jì)算思維的評價(jià)相對國外來說比較欠缺。一方面，對計(jì)算思維的評價(jià)多是基于認(rèn)知能力上的，不重視非認(rèn)知能力的測評，如外顯行為或計(jì)算觀念，相比于認(rèn)知能力而言，非認(rèn)知能力在測評方面難度更大[14]；另一方面，缺乏科學(xué)權(quán)威的K12階段的學(xué)生計(jì)算思維能力評價(jià)工具，對于計(jì)算思維評價(jià)工具部分的研究是直接編譯國外的評價(jià)工具然后使用，由于國內(nèi)外教育理念不同，在工具的編制、使用上也會有諸多差異，對此，應(yīng)重視國內(nèi)對計(jì)算思維評價(jià)工具的自主研發(fā)[15]。計(jì)算思維的培養(yǎng)不是一蹴而就的，需在K12階段打好基礎(chǔ)，針對不同年齡、不同年級的學(xué)生進(jìn)行分層、分階段的培養(yǎng)，循序漸進(jìn)。

種類3：教學(xué)實(shí)踐中面向教學(xué)策略、教學(xué)模式的深入探索研究，主要包括可視化編程、STEM、教學(xué)實(shí)踐、教學(xué)策略、教學(xué)模式、問題導(dǎo)向等6個(gè)關(guān)鍵詞。在不斷的教學(xué)實(shí)踐中，依據(jù)重構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容制定相應(yīng)的教學(xué)策略，探究新的教學(xué)模式，其中更多的實(shí)踐是結(jié)合了可視化編程、STEM、創(chuàng)客教育等，借助LOGO、Scratch、APP Inventor等工具來培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。張立國等通過分析國內(nèi)外計(jì)算思維的實(shí)踐研究，梳理總結(jié)出了計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)策略，即基于游戲化理念、問題解決理念、可視化理念的教學(xué)策略[16]；白珍等針對當(dāng)前高中學(xué)生計(jì)算思維能力的不足，特將信息課教學(xué)內(nèi)容歸為以下三大類，即概念類、計(jì)算類、綜合表達(dá)類，針對不同的教學(xué)內(nèi)容采取不同的教學(xué)策略實(shí)施教學(xué)，不僅能幫助教師理解不同教學(xué)內(nèi)容中體現(xiàn)的計(jì)算思維，更能提升學(xué)生的思維能力[17]。郁曉華等基于可視化編程軟件App Inventor的教學(xué)模式開展教學(xué)實(shí)踐，配合教案的引導(dǎo)和學(xué)案的支持，發(fā)現(xiàn)該模式下學(xué)生的計(jì)算概念、形式化、模型化方面得到了明顯的提升[18]；牟琴等提出了多種基于計(jì)算思維的教學(xué)模式研究，如探究式教學(xué)模式[19]、網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)模式[20]、任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式[21]，運(yùn)用實(shí)例分別論證了三種模型的可行性和高效性，發(fā)現(xiàn)三種模式都能提高學(xué)習(xí)效率，且相較于傳統(tǒng)教學(xué)更有利于學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)。

四、結(jié)論與展望

綜上所述，根據(jù)文獻(xiàn)走勢圖可以發(fā)現(xiàn)國內(nèi)計(jì)算思維的研究整體呈上升趨勢；結(jié)合關(guān)鍵詞詞頻分析與知識圖譜結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)國內(nèi)基于計(jì)算思維的培養(yǎng)開展了大量理論與實(shí)踐研究，研究熱點(diǎn)主要分為三大主題：大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)改革和課程體系建設(shè)研究、K-12中信息技術(shù)相關(guān)研究、教學(xué)實(shí)踐中面向教學(xué)策略和教學(xué)模式的深入探索研究。然而，學(xué)者們認(rèn)為國內(nèi)計(jì)算思維相關(guān)研究還是處于初級階段，研究內(nèi)容的深度和廣度還有待進(jìn)一步拓展，研究實(shí)踐創(chuàng)新性不足。因此，針對計(jì)算思維的深入研究今后還應(yīng)從以下四個(gè)方面進(jìn)行探索。

一是重視計(jì)算思維的理論研究與實(shí)踐推廣?？v觀國內(nèi)有關(guān)計(jì)算思維的研究，主要集中于微觀層面的探索，缺乏一定的深度，而對于計(jì)算思維內(nèi)涵與外延進(jìn)行界定的探討較少，宏觀層面的研究應(yīng)進(jìn)一步深化。目前計(jì)算思維的實(shí)證研究多是小范圍、小班別的教學(xué)實(shí)踐，重在驗(yàn)證教學(xué)模式的有效性，缺乏對模式推廣重用后的實(shí)證研究，今后對于研究成果的普及也十分關(guān)鍵。

二是拓展計(jì)算思維的應(yīng)用領(lǐng)域和學(xué)科。計(jì)算思維的研究最先在高等教育領(lǐng)域展開，隨著國家人才培養(yǎng)需求逐漸滲入基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，但國家對于職業(yè)教育、成人教育的發(fā)展也相當(dāng)重視，所以拓寬計(jì)算思維的應(yīng)用領(lǐng)域十分重要。同時(shí)研究也不應(yīng)局限在計(jì)算機(jī)學(xué)科，應(yīng)實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，注重與STEM、創(chuàng)客教育、人工智能等課程融合。

三是增強(qiáng)師資隊(duì)伍和教學(xué)資源建設(shè)。提升學(xué)生的計(jì)算思維，教師是關(guān)鍵。目前，具有較系統(tǒng)的計(jì)算思維教學(xué)能力的教師比較缺乏，大多是信息技術(shù)或其他學(xué)科教師擔(dān)任，如何提升教師的計(jì)算思維教學(xué)能力，增強(qiáng)師資力量的建設(shè)勢在必行。同時(shí)，計(jì)算思維相關(guān)的教學(xué)資源也應(yīng)得到增強(qiáng)，如校本課程、校本教材、實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺、在線課程等的設(shè)計(jì)與開發(fā)，既要體現(xiàn)本土特色文化，還要符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展與需求。

四是完善計(jì)算思維的評價(jià)。計(jì)算思維評價(jià)是計(jì)算思維教育中十分重要且復(fù)雜的一個(gè)環(huán)節(jié)，需構(gòu)建完善的理論框架、指標(biāo)體系來更好地指導(dǎo)實(shí)踐的開展，同時(shí)，也要加強(qiáng)計(jì)算思維評價(jià)工具的自主研發(fā)，適宜且科學(xué)高效的評價(jià)工具更能促進(jìn)計(jì)算思維教育的發(fā)展。不僅是對認(rèn)知層面的評價(jià)，還應(yīng)重視能力或技能、觀念或態(tài)度方面的測評，使評價(jià)內(nèi)容多元化。