國際計算思維教育研究熱點與趨勢分析
——基于CiteSpace 的可視化分析

張 紅

（揚州大學(xué)新聞與傳媒學(xué)院，江蘇揚州 225000）

0 引言

計算思維（Computational Thinking，CT）一詞可追溯到20 世紀80 年代，Seymour Papert 開創(chuàng)了計算機和教育的現(xiàn)代聯(lián)系，提出計算機可以增強思維并改變可及性的模式。直到2006 年，Wing［1］在頗具影響力的研究論文中通過闡明計算思維的概念進而呼應(yīng)了這些想法，使之備受矚目，并提倡計算思維是每個人必不可少的技能，應(yīng)將CT 納入K-12 教育?！坝嬎闼季S教育”一詞強調(diào)了計算和計算思維在促進學(xué)習(xí)中的作用，這一觀點被稱為是Papert 理念的傳承［2］。西方國家作為開拓者，早已興起一場計算思維教育改革運動，美洲、歐洲、亞洲、大洋洲的許多國家在開始傳授計算機知識之前紛紛開展K-12 年級的計算思維教育［3］。劉敏娜等［4］通過滾雪球的方法梳理文獻，提出計算思維教育內(nèi)容邊界不清、層次不明；張進寶［5］系統(tǒng)化分析計算思維的概念，認為應(yīng)審慎設(shè)計包括編程在內(nèi)的計算思維教育活動，不能僅關(guān)注培養(yǎng)學(xué)生算法和編程技巧的“功利性教育”等。

國內(nèi)少有針對計算思維教育的量化分析相關(guān)研究，鑒于此，本文通過可視化知識圖譜分析，梳理科學(xué)網(wǎng)（Web of Science）數(shù)據(jù)庫核心數(shù)據(jù)合集中的文獻，科學(xué)展現(xiàn)國際計算思維教育研究熱點、趨勢，從中吸取經(jīng)驗以更好地推動我國計算思維教育發(fā)展。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本文以WOS 數(shù)據(jù)庫核心數(shù)據(jù)合集為文獻來源，檢索時間為2020 年4 月。以主題為檢索條件“TS=（Computational Thinking AND education）”，檢索時間跨度為2010 年1 月—2020 年3 月，索引為SCI-EXPANDED、SSCI、A&HCI、ESCI。檢索到432 篇文獻，剔除不符合“計算思維&教育”主題的文獻，共選取365 篇文獻作為研究樣本。

本文采用的研究工具是陳超美教授開發(fā)的一款可視化軟件——CiteSpace5.6.R5，研究方法主要基于科學(xué)計量學(xué)領(lǐng)域的知識圖譜理論，以可視化圖譜方式探尋出學(xué)科領(lǐng)域演化的關(guān)鍵路徑、知識拐點及學(xué)科發(fā)展趨勢［6］。本文通過共詞圖譜可視化、對數(shù)極大似然率（Log-Likelihood Ratio，LLR）聚類分析及高引用關(guān)鍵詞詞頻統(tǒng)計方法，探討國際計算思維教育研究熱點及趨勢。

研究前的基礎(chǔ)設(shè)定如下：將時間閾值設(shè)置為“From 2010 to 2020”；施引文獻選擇“keyword”共現(xiàn)分析功能；連線閾值數(shù)據(jù)對象強度設(shè)置為“Cosine”類型；節(jié)點閾值設(shè)置為“Top N”類型（數(shù)值為60），代表選取數(shù)據(jù)合集中計算思維教育文獻每年被引頻次或出現(xiàn)頻次最高的前60 篇；本研究中知識圖譜網(wǎng)絡(luò)修剪方式為最小生成樹（Minimum Spanning Tree），該算法運算簡捷，能很快出結(jié)果；經(jīng)由多次測試，本研究在此修剪方式下結(jié)果的模塊值（Q 值）和平均輪廓值（S 值）最為理想。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 研究熱點分析

2.1.1 聚類視圖分析

運用CitiSpace 對獲取到的365 篇主題文獻進行可視化分析，得到Q 值為0.55，大于0.30，表明聚類結(jié)構(gòu)顯著；S 值為0.77，大于0.70，說明國際計算思維教育相關(guān)研究聚類結(jié)果高效且令人信服。

聚類視圖側(cè)重于體現(xiàn)聚類間的結(jié)構(gòu)特征，突出關(guān)鍵節(jié)點及重要連接。研究使用LLR 算法提取聚類命名，聚類規(guī)模越大，則編號越?。?］。從圖1（彩圖掃OSID 碼可見，下同）可看出，主題樣本通過LLR 聚類后分為9 類研究主題：編程專業(yè)（聚類#0 programming profession）、評估方法（聚類#1evaluation methodologies）、ScratchJr（聚類#2 scratchjr）、算法能力（聚類#3 algorithmic skills）、工程設(shè)計（聚類#4 engineering design）、教育技術(shù)（聚類#5 educational technology）、解決問題（聚類#6 problem-solving）、機器人（聚類#7 robotics）、小學(xué)（聚類#8 elementary）。在二維空間中，聚類中的關(guān)鍵節(jié)點有所突出且聯(lián)系緊密，說明國際計算思維教育研究處于探索階段，且在不斷拓寬，聚類結(jié)構(gòu)在向良好狀態(tài)發(fā)展。

圖1 2010-2020 年國際計算思維教育研究聚類視圖

2.1.2 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜及引用頻次分析

關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜有利于分析研究熱點及其演變規(guī)律，如圖2 所示，關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜共有節(jié)點N（152）個、連線E（281）條，其節(jié)點代表計算思維教育研究的關(guān)鍵詞，由不同顏色的年輪組成，其大小或厚度反映了該關(guān)鍵詞被多篇文章關(guān)注的程度，節(jié)點越大，則關(guān)注越多、共現(xiàn)頻率越高［8］。計算思維教育研究共現(xiàn)頻率最高的熱點關(guān)鍵詞為“計算思維（computational thinking）”，而后有“K-12（K 12）”、“機器人（robites）”、“學(xué)生（student）”、“Scratch（scratch）”、“計算機科學(xué)教育（computer science education）”、“編碼（coding）”、“態(tài)度（attitude）”及“有效性（validity）”。

本文對引用頻次20 次以上的高頻關(guān)鍵詞進行歸納（見表1），并對聚類及其包含的典型文獻進行分析，歸納出計算思維教育的研究熱點知識子群。

表1 2010-2020 年國際計算思維教育研究高頻關(guān)鍵詞

圖2 2010-2020 年國際計算思維教育研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

（1）計算思維教學(xué)策略。它是由計算思維、教育、設(shè)計、編碼、游戲、課程等關(guān)鍵詞形成的“計算思維教學(xué)策略”熱點子群。教師使用教學(xué)策略有助于最大程度地減少學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。在美國國立教育學(xué)院，研究人員正與教師合作開發(fā)和設(shè)計用于計算思維和計算教育的教學(xué)法，這樣的成果之一就是在學(xué)校中開發(fā)了用于計算思維教學(xué)的非接觸式方法［9］。研究人員為計算機教師舉辦講習(xí)班，以體驗各種不插電的活動（Unplugged Activities），如天秤分類（Sortingwith a Balance Scale）、二進制卡（Binary Cards）和避免死鎖（Deadlock Avoidance）。

（2）學(xué)科發(fā)展及跨學(xué)科教學(xué)。它是由教育、技術(shù)、數(shù)學(xué)、STEM、計算機科學(xué)等關(guān)鍵詞形成的“學(xué)科發(fā)展及跨學(xué)科教學(xué)”熱點子群。研究人員期待能允許CT 的跨學(xué)科方法嵌入不同的學(xué)科領(lǐng)域，有研究試圖將游戲中獲得的CT 轉(zhuǎn)移到數(shù)學(xué)和科學(xué)課程，模擬科學(xué)現(xiàn)象的過程［10］；Grover 等［11］發(fā)現(xiàn)，學(xué)生可將從Scratch 學(xué)到的計算概念應(yīng)用于特定的基于文本的編程語言中；Pollak 等［12］提出將計算思維整合到教育課程中，不要屈服于民粹主義觀念和過度簡化。對未來研究的建議之一便是正視“采用跨領(lǐng)域教學(xué)模式”的必要性。

（3）教學(xué)評價體系。它是由科學(xué)、Scratch、框架、問題解決等關(guān)鍵詞形成的“教學(xué)評價體系”熱點子群。衡量CT 在學(xué)術(shù)界普及程度的一項指標是評估自成立以來近13 年的大量文獻綜述和元研究。備受關(guān)注的Bebras 國際競賽是2003 年在立陶宛誕生的競賽，是將學(xué)生的計算思維轉(zhuǎn)移或投射于任務(wù)之上，解決對學(xué)生有意義的實際問題；除基于特定干預(yù)措施設(shè)定的具有特定研究目的的評估：CSTA、Barefoot、Dr.Scratch 和#5c21 模型等，研究人員也在努力開發(fā)測量CT 的量表：有研究在測試1251 名西班牙學(xué)生（5-10年級）后，開發(fā)出著重于計算概念（方向、序列、循環(huán)、簡單函數(shù)）測試的CT 評估量表［13］。

（4）教育機器人。它是由K-12、編程、教育機器人等關(guān)鍵詞形成的“教育機器人”熱點子群。機器人技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于STEM 教育，在編程課程中使用機器人可以使學(xué)生更好地理解計算機科學(xué)的概念。Vona 等［14］展示了機器人技術(shù)的跨學(xué)科課程，包括課堂教學(xué)、實驗室練習(xí)和鼓勵競爭學(xué)習(xí)的項目；Chiazzese 等［15］表明，機器人尤其能提升思維技能（如觀察和操作）、能力解決問題（如提出假設(shè)和測試）以及社交和互動技能。

（5）計算觀念。它是由計算機科學(xué)教育、編碼、態(tài)度、自我效能等關(guān)鍵詞形成的“計算觀念”熱點子群。計算概念和實踐在衡量學(xué)習(xí)者CT 發(fā)展中起關(guān)鍵作用，而學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)編程的計算觀念也至關(guān)重要。Brennan 等［16］提出編程過程中的計算觀念（Computational Perspectives）——包括表達、聯(lián)系和質(zhì)疑——來調(diào)查學(xué)習(xí)者對自己的理解以及他們與他人和技術(shù)世界的關(guān)系。此外，計算觀念還包括學(xué)習(xí)者在理解自我時的動機信念，即價值和期望：以編程為例，價值是指學(xué)習(xí)者的內(nèi)在動機，如他們對編程學(xué)習(xí)的態(tài)度和興趣；期望是指學(xué)習(xí)者對編程的信心，包括編程自我效能感（在編程背景下“人們對其組織和執(zhí)行達到指定類型表現(xiàn)所需的行動過程的能力判斷”）和自我概念（對一個人編程能力的信念）［17］。

（6）性別差異。它是由學(xué)生、技能、科學(xué)教育等關(guān)鍵詞形成的“性別差異”熱點子群。Durak 等［18］通過方便抽樣選取了156 名5-12 年級的學(xué)生，研究影響計算思維的因素，發(fā)現(xiàn)受教育程度、數(shù)學(xué)和科學(xué)課程的學(xué)術(shù)成就及思維方式對計算思維有影響，而性別對計算思維沒有影響。Cheng［19］使用方便抽樣的方法針對香港某小學(xué)進行研究發(fā)現(xiàn)，男生的社會影響顯著影響可視化編程環(huán)境（Visual Programming Environment，VPE）的感知有用性，而女生的外部鼓勵對VPE 的感知有用性有顯著影響。鑒于感知有用性決定因素的性別差異，建議在教育實踐中專門為男孩（將教師期望與學(xué)生使用VPE 聯(lián)系起來）和女孩（就VPE 中的學(xué)生作業(yè)提供及時和建設(shè)性的反饋）設(shè)計教學(xué)策略。

2.2 發(fā)展趨勢研究

2.2.1 關(guān)鍵詞突現(xiàn)性分析

關(guān)鍵詞突現(xiàn)性是指某段時間內(nèi)，該關(guān)鍵詞突然上升或下降的頻率，代表某一研究領(lǐng)域的轉(zhuǎn)變方向。該值越大，表示關(guān)鍵詞在相應(yīng)時間段的出現(xiàn)頻次變化率越高，如表2所示。

表2 2010-2020 年國際計算思維教育研究突現(xiàn)關(guān)鍵詞

2017 年，CSTA K-12 計算機科學(xué)標準的發(fā)布，意味著標準制定過程作為主要輸入的K-12 科學(xué)教育框架受到重視。對框架的探索不僅存在于K-12 科學(xué)教育框架中，而且存在于計算思維的基礎(chǔ)定義及評估問題中。近年來，Brennan&Resnick 提出的CT 三維框架——概念、實踐和觀念框架在文獻中常被引用?，F(xiàn)以循證設(shè)計為指導(dǎo)的假設(shè)驅(qū)動方法框架有效補充數(shù)據(jù)驅(qū)動的學(xué)習(xí)分析方法，可用于解釋學(xué)生的編程過程并在基于塊的編程環(huán)境中評估CT。另有研究［20］使用基于教育、社會和技術(shù)（Pedagogical、Social and Technological）啟示框架的調(diào)查工具捕捉學(xué)生對在線學(xué)習(xí)環(huán)境的感知，以此設(shè)計和評估以學(xué)習(xí)者為中心的在線編程學(xué)習(xí)環(huán)境。

將計算思維應(yīng)用于高等教育成為研究的一大趨勢，重點在于如何將計算思維有效地納入高校課程教學(xué)中。奧地利一所大學(xué)（Alpen-Adria-University）的教學(xué)實驗室定義了未來3 個主要的研究機會：計算思維技能評估問題；計算機科學(xué)教育之外計算機科學(xué)知識廣泛傳播趨勢下的跨學(xué)科教育需要；將計算機輔助教學(xué)納入普通教師教育課程［12］。在涉及高等教育學(xué)生的研究中可以發(fā)現(xiàn)，反思是一種常用策略，常被要求反思其編程經(jīng)驗；高等教育項目的一個共同元素是引入課程，在這些課程中，學(xué)生為現(xiàn)實世界的問題設(shè)計產(chǎn)品和解決方案，并參與實際工程項目。

編程突顯年份為2014 年，之后一直成為計算思維教育實踐探索新領(lǐng)域。計算機編程是使計算思維活躍起來最基本的方法。研究表明，在徽標編程語言之后，直到有易于使用的可視化編程語言問世，使用編程工具教兒童編程的方法才得以廣泛研究［21］。以Scratch 應(yīng)用為例，常運用基于設(shè)計的研究、數(shù)據(jù)三角測量、Bloom 的經(jīng)典分類法、TPACK 模型和翻轉(zhuǎn)課堂方法，詳細分析可視化編程在小學(xué)社會科學(xué)領(lǐng)域的實踐與整合，并對干預(yù)中的效益和實踐開展評價。計算思維教育中需要澄清的問題還有關(guān)于計算思維、計算機科學(xué)和編程之間的關(guān)系這一概念區(qū)分問題：計算思維起源于計算機科學(xué)，但它不同于計算機科學(xué)的是它可促使人們將CT 技能轉(zhuǎn)移到編程以外的領(lǐng)域。美國國家研究委員會主張計算機科學(xué)領(lǐng)域比編程學(xué)習(xí)更廣泛，而計算思維因包括一種思考日常活動和問題的方法而較計算機科學(xué)更加廣泛［22］。

2.2.2 時間線視圖分析

圖3 2010-2020 年國際計算思維教育研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)及時間線視圖

時間線視圖側(cè)重于勾畫聚類之間的關(guān)系和某個聚類中文獻的歷史跨度，可用來分析計算思維教育研究的發(fā)展趨勢。聚類按降序垂直排列，最大的聚類顯示在視圖頂部；在每個時間軸下顯示有某年共現(xiàn)頻率最高的3 個關(guān)鍵詞，共現(xiàn)程度最高的關(guān)鍵詞詞匯標簽放在最低位置。根據(jù)圖3 中不同聚類的時間線可判斷：國際計算思維教育在2010-2012 年研究較少，未成體系；自2013 年起受到廣泛關(guān)注，于2014-2018 年計算思維教育迎來發(fā)展高潮，且持續(xù)矚目，逐漸出現(xiàn)了游戲設(shè)計（game design）、問題解決（problem solving）、教師教育（teachereducation）、機器人（robotics）、Scratch（scratch）、計算參與（computationalparticipation）等新熱點；而后至2020 年3 月，國際計算思維教育聚焦于學(xué)校（school）、性別（gender）、有效性（validity），并得到進一步發(fā)展，以更好實現(xiàn)其普適性、基礎(chǔ)性。

根據(jù)連線判斷，聚類#0 中節(jié)點教育（education）的傳承關(guān)系變化主要發(fā)生在2017 年。計算思維教育實施需依托計算機科學(xué)學(xué)科背景開展多元化課程，并結(jié)合Scratch 開展教學(xué)，聯(lián)結(jié)游戲化培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力。聚類#4 中節(jié)點學(xué)生（student）的傳承關(guān)系變化主要發(fā)生在2016 年。在計算思維教育研究中，需根據(jù)學(xué)生抽象思維開展科學(xué)教育，應(yīng)重點關(guān)注學(xué)生的知識、動機、態(tài)度。聚類#1 中節(jié)點教學(xué)/學(xué)習(xí)策略（teaching/learning strategy）的傳承關(guān)系變化主要發(fā)生在2016 年。教學(xué)或?qū)W習(xí)策略是進行計算思維教育的重要一環(huán)，初等教育中正在使用可視化編程創(chuàng)建數(shù)字故事和計算機游戲，與編程和機器人技術(shù)一樣，游戲設(shè)計也需玩家實現(xiàn)各種目標。教育研究者正研究從游戲中轉(zhuǎn)移出的計算思維，再到模擬科學(xué)現(xiàn)象的過程，確定個性化且行之有效的評估方法以獲得有效教學(xué)反饋是研究者們?nèi)栽谔剿鞯恼n題。

3 結(jié)語

本文利用Citespace 軟件對2010-2020 年第一季度國際計算思維教育文獻進行了可視化分析，通過共詞圖譜分析、聚類分析科學(xué)梳理出其研究熱點和發(fā)展趨勢。同時，研究也存在一定局限性，如計算思維理論研究范圍跨學(xué)科性較強，本文研究僅依托于WOS 數(shù)據(jù)庫核心數(shù)據(jù)且針對教育應(yīng)用領(lǐng)域，難免有主題詞劃分及歸類偏差。因此，在后續(xù)研究中，將持續(xù)關(guān)注計算思維發(fā)展，進一步精準數(shù)據(jù)來源，跟進分析其在教育應(yīng)用領(lǐng)域中的多元化應(yīng)用，以更好地為中國本土化計算思維教育發(fā)展提供思路和參考。