國內計算思維研究的趨勢和熱點

翟學坦 王素娥

（1.首都師范大學 教育技術系，北京 100048； 2.中央財經大學 外國語學院，北京 100081）

引言

周以真教授[1]在美國計算機權威雜志提出計算思維的概念，并指出:計算思維應成為每個人的必備技能。吳文虎（2008）提出:計算思維是信息社會創(chuàng)新的需要。為了系統、全面地了解國內學界對計算思維研究的發(fā)展趨勢與研究熱點，更直觀地把握國內計算思維研究動向，本文以1991年1月1日至2017年7月31日中國知網（CNKI）的計算思維研究為信息源，借助文獻計量的研究方法和社會網絡分析，對國內計算思維的研究進行詳細的文獻梳理與分析。

一、數據來源與研究方法

本文以CNKI作為數據源，內容檢索條件：主題=計算思維 (模糊匹配)；檢索控制條件：發(fā)表時間從1991年1月1日到2017年7月31日。題錄數據包括標題、作者、作者單位、摘要、年代、關鍵詞、來源出版物。以“計算思維”文獻題錄數據檢索，共檢索到有效文獻2921篇。

本文采用文獻計量的研究方法和社會網絡分析，對數據進行定量與定性分析。首先，通過書目共現系統（Bibliographic Item Co-occurrence Matrix Builder，簡稱BICOMB）對收集的數據建立數據庫。在此基礎上，統計了計算思維研究文獻在知網中的時間分布、學科類別分布、研究機構分布、權威作者分布、高被引文獻，旨在了解計算思維研究的發(fā)展趨勢。其次，通過SPSS 19.0統計分析軟件對數據庫中提取的高頻關鍵詞進行詞頻分析、聚類分析、多維尺度分析，旨在得出計算思維相關領域的研究方向與研究熱點，進一步得出研究結論與啟示。

二、研究結果與分析

（一）文獻年度分析

為了研究計算思維每年的變化趨勢，本文對近18年(2000—2017)計算思維研究文獻總量進行了統計分析，國內關于計算思維的研究數量整體呈現上升趨勢。在2006年以前，國內計算思維的研究相對較少，本文把這段時期稱為肇始期。2006—2011年，計算思維研究數量相較之前呈逐年上升趨勢，但增長并不是很明顯，本文把這段時間稱為緩慢增長期。在2011年以后，計算思維研究進入爆發(fā)期。通過對文獻的深入研究，筆者發(fā)現了產生這種變化趨勢的原因：周以真教授提出“計算思維”,在國內外教育界引起了很大的反響[2]。

（二）學科類型分布

依據CNKI的數據統計，本研究發(fā)現以計算思維為主題的研究分布在40個研究方向，其中計算思維的跨學科研究發(fā)展迅猛，已深入到教育、計算機、數學等多個領域。排名前三位的學科為高等教育、計算機硬件技術、計算機軟件及計算機應用。在教育領域注重對計算思維的培養(yǎng)以及計算思維在計算機領域的應用。從初等教育到高等教育對計算思維都有涉獵，并且隨著教育層次的提高，關注程度也在提升。尤其在高等教育階段，發(fā)文量在所有學科中位居榜首。

（三）研究機構分布

為了呈現研究機構分布圖譜，筆者使用社會網絡分析軟件（UCINET）得出研究機構中心度排名，教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會中心度最高（degree=5.000），分別與北京理工大學計算機學院、哈爾濱工業(yè)大學計算機科學與技術學院、東北農業(yè)大學電氣與信息學院保持合作關系。

（四）權威學者分布

計算思維研究已涌現出一大批學者，對1991—2017年刊發(fā)的有關計算思維研究文獻的權威學者進行統計與分析，按照發(fā)布論文的數量以及發(fā)表論文的被引頻次綜合考慮，可以發(fā)現，在計算思維研究領域做出卓越貢獻的學者包括陳國良、戰(zhàn)德臣、董榮勝、蔣宗禮、牟琴、馮博琴、王榮良等。中國科學技術大學的陳國良教授發(fā)表的《計算思維與大學計算機基礎教育》一文在被引頻次中位居榜首。

為了進一步探究不同科研機構學者在計算思維研究領域中的合作關系，筆者使用UCINET對學者間的合作關系進行了知識圖譜可視化分析，如圖1所示。

依據圖1可以看出，國內計算思維研究形成了三個主要的學者合作派系。分別是以杜晶、韓秋楓等學者為中心的學者派系圖譜，以常小紅、盧虹冰等學者為中心的學者派系圖譜，以徐奕奕、唐培和等學者為中心的學者派系圖譜。除此之外其他學者之間聯系并不是十分密切。需要指出的是，國內計算思維的研究中尚未出現中心度特別高的學者。因此除了加強學者間的合作，還有待學者進行突破性研究。

圖1 研究學者合作圖譜

（五）高被引文獻分布

文獻的被引頻次反映了該文獻被其他研究者關注的程度以及對于其他研究者相關研究的影響程度[3]。筆者統計了計算思維領域的高頻被引文獻，剔除了2篇九校聯盟計算機基礎教學發(fā)展戰(zhàn)略聯合聲明，按照被引頻次排序，陳國良等撰寫的《計算思維與大學計算機基礎教育》、龔沛曾等撰寫的《大學計算機基礎教學中的計算思維培養(yǎng)》、李廉等撰寫的《計算思維概念與挑戰(zhàn)》，被引頻次位居前三。其中被引頻次最高的是教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會與中國科學院院士陳國良教授等撰寫的《計算思維與大學計算機基礎教育》，文章探索了一種計算思維能力培養(yǎng)的新路徑[4]。董榮勝等撰寫的《計算思維與計算機方法論》《計算思維與計算機導論》被引頻次與下載量也很高。《計算思維與計算機方法論》一文從方法論、學科認知理論角度闡述了與計算思維的關系[5]。

（六）計算思維的高頻詞及研究熱點分析

1.高頻關鍵詞詞頻分析

高頻關鍵詞可以反映某一領域的發(fā)展脈絡、熱點前沿及發(fā)展趨勢等[6]。本文首先用BICOMB 2.0對收集的數據進行關鍵詞詞頻分析，共統計出10346條記錄。然后篩選出高頻關鍵詞，以頻次達到40%左右作為篩選標準[7]。因此，本文選用出現頻次大于30的高頻關鍵詞共計37個，累計百分比為36.3329%。這37個高頻關鍵詞可以反映出國內計算思維的研究熱點，如表1所示。

表1 1991—2017年計算思維研究領域高頻關鍵詞表

除“計算思維”主題檢索詞外，排在前十位的高頻關鍵詞分別有：教學改革、計算機基礎、程序設計、大學計算機基礎、教學模式、計算機基礎教學、教學方法、能力培養(yǎng)。值得注意的是“教學改革”在除核心關鍵詞“計算思維”以外占據首位，與其相關的高頻關鍵詞還有教學方法、課程改革等?？梢钥闯?，培養(yǎng)計算思維的教學模式有待改進。從其他類相關高頻關鍵詞計算機基礎、程序設計、計算機、計算思維能力、計算機基礎教育等主題關鍵詞可以看出，計算思維與計算機教育有著密切的聯系。

2.高頻關鍵詞的相異矩陣分析

為了進一步探討高頻關鍵詞之間的內部聯系，進而全面描述計算思維研究領域的熱點，需要采用相異矩陣分析來進一步研究關鍵詞之間的聯系。相異矩陣中的數值的大小表明關鍵詞間的距離遠近[8]。本文把37個高頻詞兩兩配對，統計在文章中出現的次數，形成了37×37 的共詞矩陣。將共詞矩陣通過Ochiai系數轉為相關矩陣,用1減去相關矩陣中各對應值,得到相異矩陣，如表2所示。

表2 高頻關鍵詞Ochiai系數相異矩陣（部分）

從表2可以看出，各關鍵詞與計算思維距離由遠及近的順序分別為：教學模式（0.806）、程序設計（0.782）、大學計算機基礎（0.757）、計算機基礎（0.750）、教學改革（0.653）。這說明計算思維與教學改革的緊密程度大于教學模式。從整個關鍵詞相異矩陣分析來看，計算思維與計算機基礎教學、信息技術、計算機教育類的關鍵詞距離較小，說明計算思維與計算機基礎教學關系緊密。計算思維與計算機原理類關鍵詞距離較遠，例如，C語言、算法、學習過程等，說明計算思維與計算機原理類研究關系相對不夠緊密。

3.高頻關鍵詞聚類圖分析

高頻關鍵詞間在聚類圖譜中的分布，可以揭示計算思維的研究熱點。關鍵詞聚類分析可以把分析對象之間復雜的網狀關系簡化為若干類群之間的關系[9]。本文使用SPSS 19.0把得到的相異矩陣進行聚類分析后，如圖2所示。

根據圖2聚類分析圖中的關鍵詞連線顯示出關鍵詞直接的關系，將其分成四大類。種類1：包括信息技術、計算機科學、學習過程、思維能力、計算能力、計算機教育、計算機課程、計算機教學8個關鍵詞。種類2：包括計算思維、教學改革、大學計算機基礎、計算機基礎教學、能力培養(yǎng)、大學計算機、非計算機專業(yè)、課程改革、信息素養(yǎng)、計算機基礎課程10個關鍵詞。種類3：包括程序設計、算法、C語言、計算機、教學、實驗教學、C語言程序設計、實踐教學、數據結構、計算思維能力10個關鍵詞。種類4：包括MOOC、翻轉課堂、教學模式、任務驅動、教學方法、教學內容、計算機基礎、課程體系、計算機基礎教育9個關鍵詞。

圖2 計算思維研究領域關鍵詞聚類圖

4.計算思維研究領域知識圖譜

多維尺度分析是用數據結構來表示測量之間的距離[10]。用同樣的方式，將37×37的相異矩陣導入SPSS 19.0，進行多維尺度分析，將結果處理后，得到計算思維領域的研究熱點知識圖譜，如圖3所示。

圖3 計算思維領域的研究熱點知識圖譜

圖3中，點表示高頻關鍵詞在坐標上的分布，高度相似性的對象聚集在一起，距離中心點近的代表熱門研究，趨向邊緣的說明研究主題狹小。整體來看圖3形成了五類團，參考圖2將計算思維領域研究熱點概括為五個研究主題。

（1）以計算思維與信息技術為核心的研究主題。這個主題包含的高頻關鍵詞有:“計算機科學”“計算機課程”“學習過程”“任務驅動”等熱點詞。信息技術一直是中小學教育關注的熱點。由于各地區(qū)信息化程度、教學環(huán)境的差異，目前信息技術一直沒有明確的目標。有不少專家學者努力推進計算思維與信息技術的研究。例如，王榮良等[11]對中小學教師教育信息能力培訓方法方面的研究，李冬梅[12]對信息技術教育與課程建設的探索與思考。

（2）以計算思維與信息素養(yǎng)為核心的研究主題。這個主題包含的高頻關鍵詞有：“計算能力”“思維能力”“計算機”“MOOC”等熱點詞。信息素養(yǎng)核心是信息能力[13]。信息素養(yǎng)與計算思維誰更應該作為計算機培養(yǎng)的目標，這一直是個很有爭議的研究問題。王榮良(2013)在一次采訪中提到，學界對信息素養(yǎng)內涵理解存在差異。計算思維能否代替信息素養(yǎng)成為信息技術課程的授課目標，這依然是個值得研究的話題。

（3）以計算思維能力培養(yǎng)為核心的研究主題。這個主題包含的高頻關鍵詞有：“C語言程序設計”“實踐教學”等熱點詞。計算思維能力的培養(yǎng)是計算思維研究中的核心內容。第一屆計算思維與大學計算機課程教學改革研討會（2012）對于計算思維能力的培養(yǎng)，有學者做了實踐。牟琴[14]認為輕游戲的方式可培養(yǎng)學習者的計算思維能力，探索并構建了程序設計課程教學中輕游戲對計算思維能力培養(yǎng)的教學模型和學習模型，并證實了其可行性。林旺等[15]闡明了計算思維過程是借助技術的問題解決，培養(yǎng)計算思維能力的軟件應用教學可以從基于活動的問題解決角度進行設計。

（4）以計算思維與課程教學為核心的研究主題。這個主題包含的高頻關鍵詞有：“課程體系”“計算機基礎課程”“算法”“C語言”“大學計算機”“非計算機專業(yè)”“教學方法”“計算機基礎教學”等熱點詞。這個研究主題以計算思維教學為核心。戰(zhàn)德臣等[16]在多年教學實踐基礎上,結合計算學科對非計算機專業(yè)人員未來的影響,論證性地提出了大學計算機面向計算思維的課程內容最小集合以及擴展集合。陳國良等[17]按計算思維主要內容,即問題求解、系統設計和人類行為理解,探討了大學計算機基礎課程設置,強調了課程結構設計的重要性。

（5）以計算思維與教學改革為核心的研究主題。這個主題包含的高頻關鍵詞有：“教學內容”“教學模式”“計算機基礎”“程序設計”“能力培養(yǎng)”等熱點詞。在信息化促進工業(yè)化的環(huán)境下，以計算機應用能力的培養(yǎng)為核心的教學目標已經不能適應社會的需求。而把計算思維能力培養(yǎng)作為教學目標，將帶來計算機教學方法、內容的教學改革。

三、研究結論

本文采用文獻計量的研究方法和社會網絡分析，從文獻年度、學科類別、學術研究機構、權威學者、高被引文獻、高頻詞及其研究熱點幾個角度進行了全面分析，整理出國內計算思維的研究現狀與研究熱點。結論如下：（1）計算思維研究的年度分布大致分為三個階段，2006年以前，計算思維的研究處于肇始期。從2006年到2011年，計算思維的研究處于緩慢增長期。2011年至今，計算思維的研究呈現逐年迅速增長的趨勢，計算思維研究受關注程度越來越高。（2）計算思維研究的學科類別主要來源于高等教育、計算機軟硬件技術、計算機應用。在職業(yè)教育、中等教育與初級教育中所占比重不高。這說明計算思維的研究雖在中小學以及職業(yè)學校有所提及，但并沒有得到普及。（3）我國計算思維研究的學術研究機構與學者大部分來自計算機科學等相關領域，而教育與學習科學領域參與計算思維研究的機構與學者相對不多。另外，各研究機構與學者間的合作程度不高。（4）研究主要圍繞著計算思維研究的高頻關鍵詞“信息技術”“信息素養(yǎng)”“計算思維能力的培養(yǎng)”“課程教學”“教學改革”這五個核心主題展開。

通過對國內計算思維領域的研究現狀與熱點進行系列分析，對計算思維的相關研究作了以下建議：

首先，跨越學科限制、加強學者合作。周以真（2013）在一次訪談中提到：“要把計算機科學與計算機編程區(qū)分開來?！币虼?，不應該把計算思維狹義地理解為“程序思維”。計算思維的研究，不僅是計算機科學領域的研究，同時也是教育、學習科學領域的研究，這就需要計算機科學家與教育、學習科學家加強合作，把計算思維的抽象概念、原理具體化、形象化。

其次，改變教學觀念，堅持面向應用。譚浩強[18]提到：“學生計算思維能力的培養(yǎng)應該注重實踐性、應用性?！边@就需要教師轉變教學觀念，圍繞學生的實踐性、應用性進行教學設計，把課堂真正還給學生。

最后，保持“量的研究”，鼓勵“質的研究”。國內計算思維研究目前正處于發(fā)展期，相關研究人員、教師應該做進一步的實證研究，讓計算思維逐步融入到計算機基礎課程和信息技術課程，還應該在基礎研究之上，進一步突破量的研究，走向質的飛躍，做出對學科具有建設性意見的研究。

[1]WING J. M.Computational Thinking [J].Communication of the ACM (S0001-0782),2006,49(3)：33-35.

[2]劉琴.計算思維在“數據結構”課程教學中的運用[J].計算機教育 ,2013，(5)：32-34.

[3]劉敏,李興保.移動學習領域的可視化引文分析[J].電化教育研究,2012，(11)：44-49.

[4][17]陳國良,董榮勝.計算思維與大學計算機基礎教育[J].中國大學教學,2011，(1)：7-11.

[5]董榮勝,古天龍.計算思維與計算機方法論[J].計算機科學,2009,36(1)：1-4.

[6]侯海燕,劉則淵,欒春娟.基于知識圖譜的國際科學計量學研究前沿計量分析[J].科研管理,2009,30(1)：164-170.

[7]陳瑜林.我國教育技術主要研究領域的歷史演進——基于CNKI“兩刊”關鍵詞、主題詞的類團分析[J].電化教育研究,2012，(8)：36-42.

[8]王佑鎂,陳慧斌.近十年我國電子書包研究熱點與發(fā)展趨勢——基于共詞矩陣的知識圖譜分析[J].中國電化教育,2014，(5)：4-10.

[9]鐘偉金,李佳,楊興菊.共詞分析法研究(三)——共詞聚類分析法的原理與特點[J].情報雜志,2008,27(7)：118-120.

[10]安源.2000—2009年圖書館信息服務領域研究現狀分析——基于詞頻分析法和共詞分析法[J].情報科學,2012，(6)：873-878+892.

[11]王榮良,李鋒.中小學教師教育信息能力培訓方法的研究[J].中國電化教育,2004，(11)：22-25.

[12]李冬梅.信息技術教育與課程建設的探索與思考[J].中國教師,2016，(1)：61-65.

[13]鐘志賢,汪維富.Web 2.0學習文化與信息素養(yǎng)2.0[J].遠程教育雜志,2010,28(4)：34-40.

[14]牟琴.“輕游戲”對計算思維能力的培養(yǎng)——教育游戲對程序設計基礎課程教學的影響[J].遠程教育雜志,2011,29(6):94-101.

[15]林旺,孫洪濤.基于軟件應用的計算思維能力培養(yǎng)教學設計[J].中國電化教育,2014，(11)：122-127.

[16]戰(zhàn)德臣,王浩.面向計算思維的大學計算機課程教學內容體系[J].中國大學教學,2014，(7)：59-66.

[18]譚浩強.研究計算思維,堅持面向應用[J].計算機教育,2012，(21)：45-49.