安萍 田生湖

摘要：進(jìn)入21世紀(jì)以來，信息技術(shù)重構(gòu)著現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)力和生產(chǎn)關(guān)系。陳國良院士指出實(shí)證思維、邏輯思維和計(jì)算思維這三種思維模式組成了人類認(rèn)識世界和改造世界的基本科學(xué)思維內(nèi)容。我國近十年也有不少學(xué)者致力于計(jì)算思維教育的深度研究。本文運(yùn)用CiteSpace軟件繪制作者、機(jī)構(gòu)、關(guān)鍵詞等知識圖譜，對我國在中國學(xué)術(shù)網(wǎng)絡(luò)出版總庫（CNKI）刊載的計(jì)算思維教育高水平研究性文獻(xiàn)進(jìn)行分析并予以述評。研究發(fā)現(xiàn)：2019年發(fā)文量創(chuàng)新高;機(jī)構(gòu)合作、跨專業(yè)合作還需加強(qiáng);研究主題主要集中在計(jì)算思維的理論體系解析、計(jì)算思維教育的實(shí)施、信息技術(shù)類課程教學(xué)改革的探討以及面向編程的教育這四大方面。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維教育;熱點(diǎn);關(guān)鍵詞聚類

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）28-0004-04

1引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，信息技術(shù)重構(gòu)著現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)力和生產(chǎn)關(guān)系。整個(gè)社會(huì)的運(yùn)轉(zhuǎn)已經(jīng)上升到依賴各種算法運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)代[1]。世界各國都十分重視適宜這個(gè)時(shí)代的人才培養(yǎng)的體系設(shè)計(jì)，“計(jì)算思維”（Computational Thinking，CT）培養(yǎng)戰(zhàn)略也位列其中：美國教育協(xié)會(huì)出臺(tái)了計(jì)算機(jī)教育標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)在K12教育階段開展計(jì)算思維、計(jì)算機(jī)實(shí)踐與編程教育;英國近期頒布的中小學(xué)課程綱要中制定了發(fā)展基于計(jì)算思維的科學(xué)探究與計(jì)算機(jī)編程教育;我國教育部印發(fā)的《普通高中課程方案和語文等學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》中在信息技術(shù)學(xué)科方面，相比于 2003 年版的課程標(biāo)準(zhǔn)，“新課標(biāo)”大幅度減少了對于基本軟件使用的要求，而大幅度提升了在編程、計(jì)算思維、算法方面的思維要求以及人工智能、開源硬件、網(wǎng)絡(luò)空間安全等知識面要求[2]。由此看來，在數(shù)字土著生長的時(shí)代，培養(yǎng)學(xué)生具備數(shù)據(jù)分析、抽象建模、算法設(shè)計(jì)技能，并最終能像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣解決真實(shí)情境中的問題是計(jì)算思維教育需要達(dá)成的目標(biāo)。那么，我國計(jì)算思維教育的研究都集中在哪些方面呢？發(fā)展趨勢是怎樣的呢？

本研究基于CNKI數(shù)據(jù)庫中的文獻(xiàn)，運(yùn)用CiteSpace對計(jì)算思維教育的現(xiàn)狀與趨勢進(jìn)行可視化分析，以期為我國當(dāng)前倡導(dǎo)的教育實(shí)證研究提供范式和方法層面上的借鑒與參考。

2研究方法

2.1 研究工具

基于科學(xué)知識圖譜的可視化分析能夠呈現(xiàn)某研究領(lǐng)域的知識結(jié)構(gòu)、發(fā)展動(dòng)態(tài)、趨勢規(guī)律和主題分布。文獻(xiàn)的計(jì)量學(xué)研究正是以此為出發(fā)點(diǎn)的。CiteSpace是美籍華人陳超美創(chuàng)造的，是當(dāng)前國際上認(rèn)可度較高的科學(xué)知識圖譜分析軟件，其能夠?qū)⒛骋恢R領(lǐng)域的演進(jìn)歷程集中在引文網(wǎng)絡(luò)圖譜中展現(xiàn)，并把圖譜中作為知識基礎(chǔ)的引文節(jié)點(diǎn)文獻(xiàn)和共引聚類所表征的研究前沿自動(dòng)標(biāo)識出來[3]，因而該軟件常被用于分析和呈現(xiàn)特定研究領(lǐng)域發(fā)展的新趨勢和新動(dòng)態(tài)。

2.2 數(shù)據(jù)采集

本研究基于CNKI數(shù)據(jù)庫中的文獻(xiàn)，以“計(jì)算思維”與“教育”為主題進(jìn)行期刊文獻(xiàn)的檢索，將時(shí)間跨度設(shè)置為2009-2019年，重點(diǎn)篩選核心期刊和CSSCI期刊，剔除無關(guān)文獻(xiàn)，最終獲得125篇文獻(xiàn)，運(yùn)用CiteSpace對計(jì)算思維教育的現(xiàn)狀與趨勢進(jìn)行可視化分析，由下圖1可見，計(jì)算思維教育相關(guān)的文獻(xiàn)從2010年呈現(xiàn)增長的趨勢，在2013年、2015年、2017年呈小幅度縮減，2018年又小幅增長，2019年呈現(xiàn)井噴式的增長，達(dá)到了44篇，這表明計(jì)算思維教育經(jīng)歷了幾年的反思、斟酌和推敲，近年大家對其的認(rèn)知更為明確，更多的學(xué)者與教育者也更致力于對此的理論與實(shí)證研究。

3計(jì)算思維教育的現(xiàn)狀

3.1 研究主題

文獻(xiàn)共被引分析是CiteSpace最重要的功能，其形成的可視化網(wǎng)絡(luò)聚類結(jié)構(gòu)可以幫助研究者通過圖譜中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、聚類及色彩來分析某個(gè)研究主題的演變[3]。為探究計(jì)算思維教育的實(shí)施內(nèi)容，本研究利用CiteSpace進(jìn)行文獻(xiàn)機(jī)構(gòu)、作者及研究熱點(diǎn)聚類分析。

3.2 作者合作分析

運(yùn)行CitesPace，設(shè)置時(shí)間跨度為2009-2019年，時(shí)間切片為1年節(jié)點(diǎn)類型為作者，節(jié)點(diǎn)類型選擇“author”，因?yàn)閿?shù)據(jù)量較小，因此TOPN值設(shè)置為30即可，c，cc，ccv值設(shè)置為1，2，20，其他參數(shù)根據(jù)軟件默認(rèn)設(shè)置，得到初始知識圖譜，節(jié)點(diǎn)數(shù)14個(gè)，連線數(shù)5條，密度0.0549，經(jīng)過視圖調(diào)整具體圖譜如圖2所示。

根據(jù)圖譜，我們可以看到這些發(fā)高質(zhì)量刊物的作者發(fā)文量統(tǒng)計(jì)：

我們看到李鋒學(xué)者和張進(jìn)寶學(xué)者的發(fā)文量較高，說明該學(xué)者的研究較為集中，且質(zhì)量較好，同時(shí)，還出現(xiàn)了3對合作發(fā)文學(xué)者：李艷和孫丹;劉向永、張貴芹和郭鵬飛;李鋒和任友群，其中李艷和孫丹來自浙江大學(xué)教育學(xué)院[4]，他們認(rèn)為計(jì)算思維是青少年編程教育課程的核心素養(yǎng)之一;劉向永、張貴芹和郭鵬飛來自江南大學(xué)教育技術(shù)系電子工業(yè)出版社基礎(chǔ)教育分社[5]，他們認(rèn)為“計(jì)算思維”應(yīng)該是信息技術(shù)課程的理論基礎(chǔ);任友群和李鋒來自華東師范大學(xué)[6]。以上合作也表明該院校也有一批學(xué)者志趣相投，并合作研究，未來可能會(huì)出一些更好的成果，值得去追蹤關(guān)注。

3.3 機(jī)構(gòu)合作分析

運(yùn)行CitesPace，設(shè)置時(shí)間跨度為2009～2019年，時(shí)間切片為1年，節(jié)點(diǎn)類型選擇“Institution”，因?yàn)閿?shù)據(jù)量較小，因此TOPN值設(shè)置為30即可，c，cc，ccv值設(shè)置為1，2，20，其他參數(shù)根據(jù)軟件默認(rèn)設(shè)置，得到初始知識圖譜，節(jié)點(diǎn)數(shù)13個(gè)，連線數(shù)2條，密度0.0256，經(jīng)過視圖調(diào)整具體圖譜如圖3所示。

當(dāng)導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)信息表后，具體信息如表2所示。

由上圖和表我們可以看到北京師范大學(xué)教育學(xué)部在“計(jì)算思維教育”上的發(fā)文量最為突出，這說明該機(jī)構(gòu)研究此領(lǐng)域的學(xué)者較多，具有較濃的學(xué)術(shù)氛圍，其他依次有北大、浙大、華東師大、江南大學(xué)等機(jī)構(gòu)的學(xué)者也有研究。此外，根據(jù)連線數(shù)我們可以看到有兩組機(jī)構(gòu)在合作發(fā)文：華東師范大學(xué)開放教育學(xué)院和華東師范大學(xué)課程與教學(xué)研究所;江南大學(xué)教育技術(shù)系和電子工業(yè)出版社。由此可見，對于計(jì)算思維的研究，高質(zhì)量中文文章還不夠多，機(jī)構(gòu)的合作與交流還欠缺，這說明計(jì)算思維的研究規(guī)模、形態(tài)、載體還未達(dá)到飽和，這以后將是該領(lǐng)域發(fā)展需要填補(bǔ)和實(shí)現(xiàn)的。

3.4 關(guān)鍵詞共現(xiàn)及聚類分析

CiteSpace 提供了 11種功能選擇，針對施引文獻(xiàn)的合作圖譜（作者合作、國家合作和機(jī)構(gòu)合作）和共現(xiàn)圖譜（特征詞、關(guān)鍵詞、學(xué)科類別）以及針對被引文獻(xiàn)的共引圖譜（文獻(xiàn)共被引、作者共被引和期刊共被引）。這些圖譜都可以用來揭示科學(xué)結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀乃至變化情況，并進(jìn)而用于前沿分析、領(lǐng)域分析、科研評價(jià)等，但針對具體的研究問題應(yīng)根據(jù)不同圖譜的繪制原理來進(jìn)行選擇[3]。共詞聚類分析法采用聚類的計(jì)算方法， 對文章中共現(xiàn)的詞對（主題詞或關(guān)鍵詞）的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行運(yùn)算， 將關(guān)系密切的詞聚集歸類， 從而達(dá)到挖掘隱含信息的目的。本研究根據(jù)CNKI導(dǎo)出數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，擬通過繪制125篇高質(zhì)量文章的共詞圖譜（特征詞或關(guān)鍵字）分析計(jì)算思維教育研究熱點(diǎn)及熱點(diǎn)的演變。

打開citespace軟件，設(shè)置時(shí)間跨度為2009-2019年，時(shí)間切片為1年，節(jié)點(diǎn)類型選擇“keyword”，TOPN值設(shè)置為50，TOP N%值為30%，考慮到最后1年的文獻(xiàn)數(shù)量激增，因此三組c，cc，ccv分別為1，1，20;1，1，20;3，3，20。其他參數(shù)根據(jù)軟件默認(rèn)設(shè)置，經(jīng)過聚類分析獲得節(jié)點(diǎn)157個(gè)，連線數(shù)297條，調(diào)整閾值為3后的圖譜如下圖所示：

通過統(tǒng)計(jì)可以篩選出4個(gè)出現(xiàn)頻率超過10次的關(guān)鍵詞：計(jì)算思維，人工智能、編程教育和教學(xué)改革。其中，計(jì)算思維中心度為0.44;教學(xué)改革0.24，以上信息表明，學(xué)者們對計(jì)算思維教育的認(rèn)識主要集中在探討計(jì)算思維的基本概念、發(fā)展史、研究領(lǐng)域和學(xué)術(shù)流派，主要是解釋性的研究[7-8]，在經(jīng)歷了幾年的反思、斟酌和推敲上，計(jì)算思維教育的具體實(shí)施路徑（編程、人工智能）在2017至2018年逐漸得到了越來越多學(xué)者的認(rèn)可。按照LLR算法，軟件還生成了4個(gè)聚類：“編程教育”“計(jì)算思維”“計(jì)算思維教育”和“教學(xué)改革”，并且，Q值為0.743;S值為0.8797，這表示構(gòu)圖有較好的結(jié)構(gòu)，聚類有較好的代表性，得到的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)聚類表如表3所示。

通過對各個(gè)聚類的排名前5的關(guān)鍵詞及聚類名稱我們可以看到，這些文獻(xiàn)的研究主要集中在了計(jì)算思維的理論體系解析、計(jì)算思維教育的實(shí)施、信息技術(shù)類課程教學(xué)改革的探討以及面向編程的教育。具體詳述如下：

（1）計(jì)算思維的理論體系解析。自1980年西蒙·帕爾特（SeymourPapert）在其著作《頭腦風(fēng)暴：兒童，計(jì)算機(jī)和強(qiáng)大的觀念》一書中提到了“計(jì)算思維”開始[9]，數(shù)理方面的學(xué)者，以及計(jì)算機(jī)專家都提到了“計(jì)算思維”的概念，有學(xué)者更是提出自然科學(xué)領(lǐng)域公認(rèn)的三大科學(xué)方法是：理論方法、實(shí)驗(yàn)方法與計(jì)算方法[10]。我國陳國良院士、李廉教授通過思維模式的三種形態(tài)論證了“計(jì)算思維”成為一種思維模式的可行性，并認(rèn)為實(shí)證思維、邏輯思維和計(jì)算思維這三種思維模式各有特點(diǎn)，相輔相成，共同組成了人類認(rèn)識世界和改造世界的基本科學(xué)思維內(nèi)容[11]。2006年美國計(jì)算機(jī)科學(xué)家，卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)教授周以真在美國計(jì)算機(jī)權(quán)威期刊《Communications of the ACM》雜志上以“計(jì)算思維”為題詳細(xì)闡述了其對該詞的理解，她認(rèn)為：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[12]。這對計(jì)算思維的價(jià)值和作用又明確了一步，可以說計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展強(qiáng)化了計(jì)算思維的意義和作用。

（2）計(jì)算思維教育的實(shí)施。歷經(jīng)十年，計(jì)算思維作為很重要的一種自然科學(xué)思維模式各個(gè)專家和學(xué)者都予以了高度的認(rèn)可，那么接下來，人們就會(huì)進(jìn)入到另一個(gè)思考中：如何培養(yǎng)人類的計(jì)算思維？也就是計(jì)算思維的教育如何開展？這里很多文獻(xiàn)都圍繞教學(xué)結(jié)構(gòu)四要素（教師、學(xué)生、教材、教學(xué)媒體）開展論述。大部分文獻(xiàn)都認(rèn)為計(jì)算思維教育者應(yīng)該屬于自然科學(xué)門類下的專業(yè)教師，其中以計(jì)算機(jī)專業(yè)教師為主，人們認(rèn)為計(jì)算機(jī)是計(jì)算思維具體表現(xiàn)的媒介和工具。計(jì)算思維的培養(yǎng)對象以兒童、青少年、青年為主，兒童主要針對學(xué)齡前兒童;青少年主要針對K12階段的學(xué)生[13];青年主要針對高校在校生（高職生、本科生等）[14]。教材方面的探討主要圍繞教學(xué)內(nèi)容展開，陳國良院士從計(jì)算思維基礎(chǔ)知識、計(jì)算理論、算法基礎(chǔ)、程序設(shè)計(jì)語言、Python編程基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)軟件7個(gè)領(lǐng)域給出了計(jì)算思維培養(yǎng)的內(nèi)容，該體系較全面、詳細(xì)[15]。教學(xué)媒體主要探討的是計(jì)算思維教育實(shí)施的媒體、工具和方法，很多文獻(xiàn)都主張計(jì)算思維的教育以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為引領(lǐng)，以自主探究為主要方式，充分激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，養(yǎng)成思維模式，提升動(dòng)手實(shí)踐能力[16]。

（3）信息技術(shù)類課程教學(xué)改革。陳國良院士首先指出了大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的時(shí)代重要性，其次指出了各個(gè)高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程目標(biāo)及內(nèi)容的狹隘性：“工具論”，以學(xué)操作、學(xué)使用為主的機(jī)械化學(xué)習(xí)，隨后他闡述了計(jì)算思維對問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和人類行為理解的重要貢獻(xiàn)，通過論證，最后強(qiáng)調(diào)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程應(yīng)該以提高學(xué)生計(jì)算思維能力為目標(biāo)[15]。此外，任有群、謝忠新、李鋒等學(xué)者也都表達(dá)了以培養(yǎng)計(jì)算思維而改進(jìn)信息技術(shù)類課程的愿景[17-19]。

（4）面向編程的教育。有的學(xué)者認(rèn)為兒童和青少年的計(jì)算思維教育需要用形象化的工具或媒介以更加直觀的方式表現(xiàn)，傅騫等人對圖形化編程工具是否能夠更好地提升學(xué)生的計(jì)算思維進(jìn)行實(shí)證驗(yàn)證，研究表明采用圖形化編程工具的學(xué)生計(jì)算思維能力提升更為明顯[20]。陳杰華指出通過上機(jī)實(shí)驗(yàn)編程，通過算法的學(xué)習(xí)和編寫是強(qiáng)化計(jì)算思維的兩種途徑[21]。汪紅兵等人認(rèn)為C語言最大的特點(diǎn)是抽象和自動(dòng)化，計(jì)算思維的本質(zhì)就是抽象和自動(dòng)化，因此學(xué)習(xí)C語言可以鍛煉計(jì)算思維[22]。由此可以看到，大家對計(jì)算思維的認(rèn)識和理解決定了部分學(xué)者以編程為突破口進(jìn)行簡單入門、易操作的計(jì)算思維培養(yǎng)途徑。這標(biāo)志著計(jì)算思維教育有了明確的實(shí)施路徑，同時(shí)也為社會(huì)上盲目跟風(fēng)學(xué)習(xí)編程給出了最好的理由。不能為了編程而學(xué)編程。編程應(yīng)該培養(yǎng)的是計(jì)算思維能力。

4結(jié)論與展望

基于citespace5.7.R1分析工具，我們對我國計(jì)算思維教育研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)：

第一、從目前我國計(jì)算思維教育高水平文獻(xiàn)的發(fā)文量來看，整體呈上升的趨勢，尤其是2019年呈現(xiàn)快速爆發(fā)式增長。說明計(jì)算思維教育正在成為近幾年的教育研究熱點(diǎn)，對促進(jìn)教育現(xiàn)代化發(fā)展有較大的研究意義與價(jià)值。

第二、從高產(chǎn)機(jī)構(gòu)和作者來看，多集中在師范類高校，說明師范類高校對計(jì)算思維教育的認(rèn)可度和關(guān)注度較高。從機(jī)構(gòu)連線數(shù)來看，各機(jī)構(gòu)間呈現(xiàn)單一研究的現(xiàn)象，說明多機(jī)構(gòu)合作研究仍有契機(jī)。今后，計(jì)算思維教育也更需要以師范類高校提供理論指導(dǎo)，以教學(xué)型學(xué)校實(shí)現(xiàn)實(shí)踐探索的研究共同體。計(jì)算思維教育的理論體系、主要內(nèi)容、常用方法、組織形式、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)該在不斷的國內(nèi)外交流和合作中逐漸明確，期待能逐步形成有理論支撐和指導(dǎo)的、有實(shí)踐共同體不斷迭代、驗(yàn)證的多元計(jì)算思維教育環(huán)境，這其中的研究者們可以來自教育學(xué)、心理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、腦科學(xué)、社會(huì)學(xué)等研究機(jī)構(gòu)。

第三、從研究熱點(diǎn)來看，我國的計(jì)算思維教育主要圍繞計(jì)算思維的理論體系解析、計(jì)算思維教育的實(shí)施、信息技術(shù)類課程教學(xué)改革的探討以及面向編程的教育這四大主題而展開。這說明各個(gè)學(xué)者的關(guān)注點(diǎn)也都集中在這些領(lǐng)域，同時(shí)這些主題也反映了學(xué)者們思考和重視的地方，有理論探索、有實(shí)踐設(shè)計(jì)。因此，建議在對計(jì)算思維教育的價(jià)值和功能有明確的統(tǒng)一認(rèn)可下，多探索從能力培養(yǎng)出發(fā)圍繞“真實(shí)問題”開展分析和解決的教學(xué)案例及過程[1]。應(yīng)該多探索類似谷歌計(jì)算思維課這樣貼近生活案例的計(jì)算思維學(xué)習(xí)，這不僅需要計(jì)算機(jī)科學(xué)家的甄別與遴選，更需要其他專業(yè)專家提供豐富的案例，將計(jì)算思維的培養(yǎng)不僅僅局限于操作計(jì)算機(jī)的能力，而應(yīng)該注重利用計(jì)算機(jī)等工具分析、解決問題的過程。如何建模真實(shí)世界？如何抽象真實(shí)世界？選取哪種計(jì)算技術(shù)與工具解決問題？這應(yīng)該是將來計(jì)算思維教育亟待思考、解決的問題。

總之，隨著21世紀(jì)計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)滲透到社會(huì)生產(chǎn)的方方面面，世界各國都在教育規(guī)劃中融入了計(jì)算思維的培養(yǎng)，我國也不例外，2018年1月16日，教育部普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)方案提出了培養(yǎng)學(xué)生的四大核心素養(yǎng)：信息意識、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任?？梢?，計(jì)算思維已經(jīng)成為國家的頂層設(shè)計(jì)要求，我們應(yīng)該團(tuán)結(jié)各行各業(yè)專家、學(xué)者明晰計(jì)算思維教育的價(jià)值;理清計(jì)算思維的概念與內(nèi)容;實(shí)踐并反思計(jì)算思維教育的模式、方法與路徑，讓每一位中國學(xué)生都具備以數(shù)據(jù)、算法、信息系統(tǒng)、信息社會(huì)的視角理解創(chuàng)造新的世界的能力。

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