涂雅婷 陸康康 王昂昂
(浙江師范大學(xué) 教師教育學(xué)院,浙江 金華 321004)
信息時代,計算機(jī)已經(jīng)成為人們?nèi)粘I钪胁豢苫蛉钡慕M成部分。計算機(jī)處理問題的高效便捷,引發(fā)人們對計算機(jī)模塊化、程序化的邏輯方式進(jìn)行思考。自1980年,Seymour Papert 在文章中首次使用“計算思維”一詞,到2006年,周以真教授對計算思維做出了詳細(xì)的概念界定,計算思維迅速受到關(guān)注。隨著對計算思維的研究越來越深入,許多國家開始意識到將計算思維納入課程結(jié)構(gòu)的必要性。2018年,我國教育部發(fā)表《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》文件,文件中提出信息技術(shù)的四個學(xué)科核心素養(yǎng),并將計算思維列為信息技術(shù)的學(xué)科核心素養(yǎng)之一[1]。
為了更全面地把握我國中小學(xué)計算思維研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)與發(fā)展趨勢,本文使用CiteSpace 分析工具,對2011—2021年國內(nèi)中小學(xué)計算思維相關(guān)研究進(jìn)行全面性的可視化分析,旨在揭示我國中小學(xué)計算思維研究的現(xiàn)狀、熱點(diǎn)和趨勢,以更好地推動我國計算思維研究的發(fā)展。
本研究使用的研究工具是由美國的陳超美教授開發(fā)的可視化分析工具CiteSpace[2]。CiteSpace 可以用來進(jìn)行學(xué)術(shù)文獻(xiàn)的可視化分析,通過分析CiteSpace 軟件制作的關(guān)鍵詞共現(xiàn)、關(guān)鍵詞聚類等圖譜,能夠較為全面地了解某一學(xué)科或領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)以及發(fā)展趨勢,具有便捷、高效的特點(diǎn),因此CiteSpace 軟件被廣泛使用于知識圖譜可視化領(lǐng)域。
本研究的研究對象選自中國知網(wǎng)(CNKI)中的核心期刊數(shù)據(jù)庫、CSSCI 期刊數(shù)據(jù)庫和碩博論文數(shù)據(jù)庫,檢索條件為“(主題:計算思維)AND(主題:小學(xué)+初中+高中+中學(xué))”,詞頻為“精確”,時間跨度為2011—2021年,檢索時間為2021年8月。對檢索結(jié)果進(jìn)行手工篩選,刪除會議報告、綱要等無關(guān)文獻(xiàn),最終得到343 篇有效文獻(xiàn)。
文獻(xiàn)的發(fā)文量可以有效體現(xiàn)某研究領(lǐng)域發(fā)展的興衰變化。在一定程度上,發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量可以反映一個研究領(lǐng)域的研究情況,以及研究者對該研究領(lǐng)域的態(tài)度[3]。一段時間內(nèi),文獻(xiàn)發(fā)文量越多,代表研究者對該領(lǐng)域的關(guān)注度越高。對檢索得到文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計分析后,得到如圖1所示的中小學(xué)計算思維研究年度發(fā)文量。由圖1可以看出,2011—2017年間,以計算思維為主題的文獻(xiàn)數(shù)量較少,發(fā)文量雖略有上漲但幅度不大,說明該領(lǐng)域的研究處于起步階段。2017—2020年間,發(fā)文量呈現(xiàn)大幅上漲的趨勢,這可能與2018年時我國教育部發(fā)布了《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》文件有關(guān)。在《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》文件中,明確了信息技術(shù)學(xué)科的四個核心素養(yǎng),分別是:信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新和信息社會責(zé)任[4]。2021年的發(fā)文量有所下降,除了與檢索時間為2021年8月有關(guān),還可能的原因是計算思維研究領(lǐng)域發(fā)展到較成熟階段。我國計算思維研究經(jīng)歷了十多年的發(fā)展,研究領(lǐng)域的影響不斷擴(kuò)大,計算思維的培養(yǎng)逐漸受到越來越多的關(guān)注和重視。
圖1 計算思維研究年度發(fā)文量
對文獻(xiàn)機(jī)構(gòu)來源進(jìn)行分析,可以篩選出該研究領(lǐng)域的核心機(jī)構(gòu)。分析結(jié)果顯示,本研究的文獻(xiàn)主要來自各高校、中小學(xué)和發(fā)展研究院。經(jīng)過統(tǒng)計,在表1中展示發(fā)文篇數(shù)排名前10 的機(jī)構(gòu)。
表1 計算思維文獻(xiàn)機(jī)構(gòu)來源
分析表1中數(shù)據(jù),可以看出發(fā)文量排名前十位的機(jī)構(gòu)是各類高校,其中有8 所師范大學(xué)、2 所其他大學(xué),這說明師范類大學(xué)是計算思維研究領(lǐng)域的主力軍。與此同時,小部分非師范類院校的教育相關(guān)專業(yè)也對計算思維投以關(guān)注。值得注意的是,華中師范大學(xué)和上海師范大學(xué)兩所師范類大學(xué)發(fā)文篇數(shù)較多,以較大優(yōu)勢名列前茅,反映出這兩個機(jī)構(gòu)在計算思維研究領(lǐng)域有較強(qiáng)的研究潛力和研究影響力。對發(fā)文機(jī)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計,發(fā)表5篇以上文章的機(jī)構(gòu)共有14 個,大部分為師范類大學(xué)。由此可見,關(guān)注計算思維研究的大多是師范類大學(xué),小部分中小學(xué)、發(fā)展研究院等機(jī)構(gòu)也在關(guān)注并進(jìn)行計算思維研究。
分析作者合作網(wǎng)絡(luò)圖,有利于識別該領(lǐng)域研究的核心作者或?qū)W術(shù)團(tuán)體[5]。作者合作網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示,其中節(jié)點(diǎn)有157 個、連線有31 條、網(wǎng)絡(luò)密度為0.0025,表明計算思維領(lǐng)域研究者整體分散度高。
圖2 計算思維研究作者合作網(wǎng)絡(luò)圖
在本研究中,華東師范大學(xué)的李鋒和曲阜師范大學(xué)的于穎為最高產(chǎn)作者,均發(fā)文3 篇。從所有作者的數(shù)據(jù)分析,共有10 位作者發(fā)文量不少于2 篇,約占總數(shù)的6.37%,另外有147 位作者發(fā)表文章1 篇??梢钥闯?,國內(nèi)研究計算思維的作者雖然數(shù)量較多,但是長時間深入研究的作者較少。李鋒所處網(wǎng)絡(luò)合作節(jié)點(diǎn)較大,與任友群、柳瑞雪、趙健、祝智庭作者有合作,說明其合作較廣泛;楊鑫、解月光有合作關(guān)系;錢松嶺、董玉琦有合作關(guān)系。
關(guān)鍵詞是對文章內(nèi)容的總結(jié)歸納,關(guān)鍵詞的出現(xiàn)頻次可以反映出該研究方向受關(guān)注情況,體現(xiàn)其是否為研究領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。因此,通過觀察關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò),分析關(guān)鍵詞大小、關(guān)鍵詞之間的連線等方面,能夠了解該研究領(lǐng)域在一段時間內(nèi)有哪些研究熱點(diǎn)。
本文采用關(guān)鍵詞分析法,設(shè)置文獻(xiàn)發(fā)表時間為2011—2021年,時間切片(Years Pers Slice)為1年,選擇單位時間內(nèi)出現(xiàn)頻次最高的前50%(Top N%),裁剪方式設(shè)置為Pruning Sliced Networks,形成如圖3所示的關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜。
圖3 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析圖譜
按照關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次進(jìn)行排序,將出現(xiàn)頻次排名前十的關(guān)鍵詞及其中心度展示在表2。關(guān)鍵詞的中心度越高,說明該關(guān)鍵詞越重要。
表2 關(guān)鍵詞頻次與中心度
結(jié)合關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析圖譜以及關(guān)鍵詞與中心度表進(jìn)行分析,可以發(fā)現(xiàn)“計算思維”的出現(xiàn)頻次和中心度最高,出現(xiàn)170 次,中心度為1.06,這說明作為研究領(lǐng)域中心的計算思維,具有較高的基礎(chǔ)性與中心性。“Scratch”的出現(xiàn)頻次排名第二,出現(xiàn)52 次,中心度為0.11。Scratch作為一種適合兒童的簡單易學(xué)的可視化編程語言,在教育領(lǐng)域的應(yīng)用范圍極其廣泛,是培養(yǎng)計算思維的有效途徑。除此之外,關(guān)鍵詞還有“教學(xué)設(shè)計”“信息技術(shù)”“核心素養(yǎng)”“教學(xué)模式”等,反映了計算思維研究中主要研究方向和研究關(guān)注點(diǎn)的變化趨勢。
關(guān)鍵詞突現(xiàn)是指在某一段時間內(nèi),某個關(guān)鍵詞的被引用次數(shù)突然增加或減少,關(guān)鍵詞突現(xiàn)值越大,其突現(xiàn)頻次變化率越高[6]。通過分析這些關(guān)鍵詞突現(xiàn)的情況,可以了解到某個研究方向的前沿性和研究發(fā)展趨勢。
本文設(shè)置γ=0.5,Minimum Duration 保持默認(rèn)值為2,獲得5 個突現(xiàn)詞,如圖4所示。按照出現(xiàn)年份對突現(xiàn)詞進(jìn)行排序得到:核心素養(yǎng)(2017—2018年)、信息技術(shù)教育(2012—2014年)、信息技術(shù)課程(2015—2017年)、算法與程序設(shè)計(2013—2018年)、教學(xué)實踐(2013—2017年),這說明了計算思維研究領(lǐng)域各個時間階段的研究熱點(diǎn)。
圖4 關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析圖譜
關(guān)鍵詞聚類是指將研究領(lǐng)域中知識結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的關(guān)鍵詞聚成一類,通過觀察關(guān)鍵詞聚類視圖,可以得到研究領(lǐng)域的分布情況,呈現(xiàn)出不同的研究主題[7]。為深入挖掘各個主題的聯(lián)系,本研究對呈現(xiàn)出的關(guān)鍵詞使用LLR 算法進(jìn)行聚類,聚類結(jié)果如圖5所示。Q 值=0.6384,說明了該聚類的結(jié)構(gòu)顯著,S 值=0.8693,說明了該聚類合理且具有可信度。
圖5 關(guān)鍵詞聚類分析圖譜
聚類1 是計算思維,此聚類包含的關(guān)鍵詞有培養(yǎng)策略、信息意識、App Inventor 等。計算思維的概念最初是1980年,Seymour Papert 在《頭腦風(fēng)暴:兒童、計算機(jī)和強(qiáng)大的想法》一書中引入的,Papert 主要將計算思維稱為編程和思維技能之間的關(guān)系[8]。2006年時,美國計算機(jī)科學(xué)家周以真教授在《Communications of the ACM》雜志上詳細(xì)闡述了她對計算思維的理解,她認(rèn)為計算思維是涵蓋計算機(jī)科學(xué)廣度的一系列思維活動[9]。國內(nèi)學(xué)者對計算思維的看法不一,如任友群認(rèn)為,人們可以通過計算思維,將復(fù)雜問題簡單化,從而形成一系列的模塊化、系統(tǒng)化的問題解決方案[10]。
聚類2 是Scratch,此聚類包含的關(guān)鍵詞有校本課程、創(chuàng)客教育、STEM 教育等。Scratch 受眾廣,簡單易學(xué),在中小學(xué)信息技術(shù)課堂中引入Scratch 教學(xué),可有效拓展課堂。大部分學(xué)者認(rèn)為學(xué)習(xí)Scratch 編程可以有效提高計算思維,因此如何通過Scratch 教學(xué)提升學(xué)習(xí)者的計算思維是研究者關(guān)注的重點(diǎn)之一。如孫丹在Scratch 教學(xué)基礎(chǔ)上,挖掘我國青少年編程教育課程的重點(diǎn)內(nèi)容,針對編程教學(xué)的實施方面發(fā)表了自己的見解和建議[11]。
聚類3 是信息技術(shù),此聚類包含的關(guān)鍵詞有高中信息技術(shù)、案例設(shè)計、計算思維評價等。學(xué)者們大多從信息技術(shù)的應(yīng)用、信息技術(shù)與教學(xué)的融合等方面開展研究。如曹曉明設(shè)計了一個完整系統(tǒng)的教學(xué)案例,很好地將計算思維與高中階段課程相融合,提升學(xué)習(xí)者計算思維,在一定程度上推動信息技術(shù)的教學(xué)改革[12]。
聚類4 是學(xué)科核心素養(yǎng),此聚類包含的關(guān)鍵詞有信息技術(shù)課程、新課標(biāo)、支架式教學(xué)等。在基礎(chǔ)教育改革的浪潮中,學(xué)科核心素養(yǎng)被多次提及和強(qiáng)調(diào),如何落實學(xué)科核心素養(yǎng)已經(jīng)成為了刻不容緩、亟待解決的關(guān)鍵問題。如于穎以學(xué)科核心素養(yǎng)中的計算思維為指導(dǎo),將信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合,設(shè)計出基于核心素養(yǎng)的課程教學(xué)結(jié)構(gòu)[13]。
聚類5 是Steam 教育,此聚類包含的關(guān)鍵詞有教育機(jī)器人、創(chuàng)新能力、信息科技等。學(xué)者主要關(guān)注Steam 環(huán)境與計算思維的培養(yǎng)相結(jié)合的途徑,如李鋒認(rèn)為通過Stem課程,為學(xué)習(xí)者構(gòu)建“做中學(xué)”“學(xué)中做”的學(xué)習(xí)環(huán)境,可以有效提升學(xué)習(xí)者的計算思維能力[14]。
聚類6 是教學(xué)設(shè)計,此聚類包含的關(guān)鍵詞有初中信息技術(shù)、PBL 教學(xué)模式、任務(wù)驅(qū)動等。此類研究聚焦于信息技術(shù)課程的教學(xué)設(shè)計方面。如余燕芳在教學(xué)設(shè)計中注重計算思維的培養(yǎng),進(jìn)行了基于“項目—任務(wù)—活動”的項目設(shè)計,將計算思維結(jié)構(gòu)和主題融入課堂教學(xué)中[15]。
聚類7 是教學(xué)模式,此聚類包含的關(guān)鍵詞有行動研究、信息技術(shù)教育、課程標(biāo)準(zhǔn)等。教學(xué)模式是對教學(xué)過程的簡化,在倡導(dǎo)學(xué)生個性發(fā)展的如今,傳統(tǒng)講授式教學(xué)模式已不足以滿足個性發(fā)展的需求,更多的教學(xué)模式需要進(jìn)一步探索。如陳興治認(rèn)為在信息技術(shù)的支持下,摸清學(xué)習(xí)者的偏差認(rèn)知轉(zhuǎn)變,進(jìn)行個性化實驗教學(xué),可以有效提高學(xué)習(xí)者的計算思維水平[16]。
聚類8 是教學(xué)實踐,此聚類包含的關(guān)鍵詞有可視化編程、校本教材、培養(yǎng)模型等。學(xué)者的研究主要包括教學(xué)實踐中的K-12 教學(xué)、案例教學(xué)的設(shè)計、校本課程的開發(fā)等方面。如寧可為結(jié)合信息技術(shù)課程的特點(diǎn),將App Inventor 引入信息技術(shù)的課堂,發(fā)現(xiàn)學(xué)生的計算思維有明顯提高[17]。
時間線視圖主要用來概述聚類與聚類之間的關(guān)系和某個聚類在時間上存在的跨度,通過分析時間線視圖,能夠知曉研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢[18]。在CiteSpace 中設(shè)置時間切片為1年,選擇時間線視圖(Timeline View),即可生成如圖6所示的時間線視圖。
圖6 時間線視圖圖譜
根據(jù)圖中不同聚類的時間線可以判斷,計算思維在2011年研究較少,未成體系;從2012年起,計算思維研究受到了廣泛的關(guān)注;2012年一直持續(xù)到2021年,研究者們一直持續(xù)關(guān)注計算思維的研究。2013—2020年,計算思維研究持續(xù)矚目,逐漸出現(xiàn)了Scratch、信息技術(shù)、教學(xué)模式、教學(xué)設(shè)計、核心素養(yǎng)、可視化編程、項目式學(xué)習(xí)等新熱點(diǎn)。而后至2021年8月,計算思維聚焦于兒童編程學(xué)習(xí)、計算思維評價、拋錨式教學(xué)模式、實驗研究,計算思維研究得到進(jìn)一步的發(fā)展,轉(zhuǎn)向如何更好地落實計算思維教學(xué)。
基于CiteSpace 分析工具的分析結(jié)果,我國中小學(xué)計算思維研究現(xiàn)狀有以下幾個特征:
1.從目前我國中小學(xué)計算思維研究領(lǐng)域的發(fā)文量來看,研究文獻(xiàn)呈上升趨勢,在2017年時,相關(guān)文獻(xiàn)出現(xiàn)爆發(fā)式增長,不難看出計算思維已經(jīng)成為了近幾年的教育研究熱點(diǎn),計算思維的研究有較大的研究意義與價值。
2.從文獻(xiàn)機(jī)構(gòu)和發(fā)文作者來看,大多數(shù)計算思維研究來源于師范類大學(xué),少部分來源于其他大學(xué)、中小學(xué)和發(fā)展研究院,說明師范類大學(xué)對計算思維相關(guān)方向的研究關(guān)注度高。計算思維領(lǐng)域的發(fā)文作者整體分散度高,各機(jī)構(gòu)、作者間合作研究仍有契機(jī)。
3.從研究熱點(diǎn)來看,通過分析關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜、關(guān)鍵詞聚類圖譜等,可以發(fā)現(xiàn)我國中小學(xué)計算思維研究大多關(guān)注計算思維、Scratch、信息技術(shù)、核心素養(yǎng)等幾個方面。
4.從研究趨勢來看,結(jié)合關(guān)鍵詞時間線視圖分析,發(fā)現(xiàn)計算思維研究具有階段性特征,研究關(guān)注點(diǎn)已經(jīng)逐漸從計算思維的理論基礎(chǔ)轉(zhuǎn)到應(yīng)用實踐??梢灶A(yù)測未來的計算思維研究會更加關(guān)注計算思維在教學(xué)中的落實,如兒童編程學(xué)習(xí),以及計算思維的評價。
1.計算思維的教學(xué)
隨著研究者對計算思維的研究不斷深入,國內(nèi)對計算思維的研究逐漸從計算思維的概念、原理等描述性研究落實到計算思維的教育教學(xué)研究。目前計算思維的理論研究逐漸成熟,但在教學(xué)實踐層面仍然缺少面向計算思維培養(yǎng)的系統(tǒng)化課程。研究者可以根據(jù)計算思維的核心概念,從計算思維概念的多維度出發(fā),構(gòu)建面向計算思維培養(yǎng)的教學(xué)模式,設(shè)計開發(fā)出培養(yǎng)計算思維能力的系統(tǒng)化課程。同時,計算思維與課程的結(jié)合不應(yīng)僅僅局限于信息技術(shù)學(xué)科,還可以依托其他相關(guān)學(xué)科,如將計算思維引入數(shù)學(xué)、物理等相關(guān)學(xué)科中,培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力,加深學(xué)生計算思維能力的跨領(lǐng)域應(yīng)用,讓學(xué)生體驗計算思維解決現(xiàn)實世界復(fù)雜問題中的作用。除此之外,由于不同年齡段學(xué)生的認(rèn)知能力存在差異,每個年齡階段學(xué)生適合的教學(xué)策略也應(yīng)有所不同,未來的研究應(yīng)該嘗試引入不同的學(xué)習(xí)策略,如支架式學(xué)習(xí)、審美體驗式學(xué)習(xí)等。最后,計算思維教學(xué)過程中仍須注意到學(xué)生的個體差異性,計算思維能力的培養(yǎng)并非填鴨式的教學(xué)就可以達(dá)成,應(yīng)嘗試讓學(xué)生個性化地自適應(yīng)培養(yǎng)個體計算思維。
2.計算思維的評價
教育教學(xué)的重要環(huán)節(jié)之一是評價反饋,計算思維教育之中不可或缺的一部分就是計算思維的評價。對學(xué)習(xí)者的計算思維進(jìn)行評價,不僅可以及時評估學(xué)習(xí)者的計算思維水平變化,還可以激勵學(xué)習(xí)者對計算思維的興趣。計算思維能力的衡量依托于合理的計算思維評價標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)確的計算思維評價工具。目前,國際上計算思維的定義還沒有達(dá)成一致的共識,導(dǎo)致計算思維領(lǐng)域的評價體系較為混亂,而國內(nèi)學(xué)者對計算思維的定義意見不一,且大多使用國外的計算思維工具,未能進(jìn)行評價工具的本土化。計算思維評價的混亂現(xiàn)狀,導(dǎo)致鮮有學(xué)者致力于將計算思維的評價理論化、系統(tǒng)化。因此,如何形成統(tǒng)一的、廣受認(rèn)可的計算思維評價標(biāo)準(zhǔn),開發(fā)出適宜國情、可信度高的計算思維評價工具,是未來計算思維研究領(lǐng)域十分具有研究價值與意義的重要問題。其次,計算思維的評價標(biāo)準(zhǔn)在統(tǒng)一后還有待實踐的考證。如何將計算思維評價標(biāo)準(zhǔn)實踐應(yīng)用于我國中小學(xué)真實的課堂之中,針對不同的教學(xué)環(huán)境與內(nèi)容,計算思維的評價是否具有足夠的廣泛適用性。例如在教學(xué)內(nèi)容方面,除信息技術(shù)學(xué)科外,計算思維的評價標(biāo)準(zhǔn)面對其他學(xué)科,例如數(shù)學(xué)、科學(xué)等,又是否需要做出不同的適應(yīng)調(diào)整,這些問題值得研究者深入思考。
3.教師計算思維能力的培養(yǎng)
計算思維的培養(yǎng)與教師自身的計算思維水平息息相關(guān),只有提升教師自身的計算思維能力,才能進(jìn)一步引導(dǎo)發(fā)展學(xué)生的計算思維能力,從而培養(yǎng)更多的計算思維人才。計算思維領(lǐng)域需要更扎實的理論研究和更多的實踐教學(xué)來幫助教師實施計算思維能力的培養(yǎng)和提升。教師要想更好地實施計算思維的教學(xué),就必須接受全面的計算思維相關(guān)教育,對職前、入職、在職教師分別開展不同層次的針對性培訓(xùn),來幫助教師樹立正確的計算思維觀念,提升教師計算思維能力,是行之有效的方法。同時也需要注意到教師計算思維能力專業(yè)發(fā)展的個性化需求,例如研發(fā)本土化的計算思維評價工具,為教師量身打造計算思維培養(yǎng)指導(dǎo)建議,從而滿足不同階段、不同個體的教師計算思維能力培養(yǎng)的獨(dú)特需求。需要注意的是,對于教師計算思維能力的培養(yǎng)不是一蹴而就的,除了滿足其層次化、個性化的要求之外,也要保持教師計算思維學(xué)習(xí)的持續(xù)性,要求教師始終保持高計算思維能力水準(zhǔn),從而為教師在計算思維教學(xué)實踐中提供強(qiáng)有力的支撐。