計算思維研究進(jìn)展與可視化分析

呂春燕 傅鋼善

摘? ?要：計算思維以其獨特的思維模式、系統(tǒng)的設(shè)計觀、普適的能力理念在問題解決中的作用和價值日益凸顯，因此引起了國內(nèi)外學(xué)者的深度關(guān)注和探索。本研究以中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中計算思維相關(guān)主題文章為樣本數(shù)據(jù)，以關(guān)鍵詞聚類分析、社會網(wǎng)絡(luò)分析、多維尺度分析為研究方法，分別采用Bicomb 2.0、Unicet 6.0、SPSS 21.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析。研究結(jié)果顯示，目前國內(nèi)計算思維研究熱點主要集中在以下四方面：美國計算機科學(xué)的發(fā)展動態(tài)及對我國的啟示，信息技術(shù)、人工智能、編程教育等學(xué)科中核心素養(yǎng)的養(yǎng)成，基于計算思維的計算機基礎(chǔ)教學(xué)改革與實踐、教學(xué)模式與方法、課程體系及能力培養(yǎng)，大學(xué)計算機以及非計算機專業(yè)慕課、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)模式的探索與實踐。文章對未來計算思維研究方向提出如下建議：增強計算思維理論研究，豐富計算思維評價研究，開展計算思維教學(xué)能力研究，注重計算思維一體化規(guī)劃研究。

關(guān)鍵詞：計算思維;計算機科學(xué);信息技術(shù);可視化分析

中圖分類號：G40-058 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-8454（2019）05-0008-05

一、研究背景

2006年美國計算機科學(xué)家周以真教授（Jeannette M.Wing）[1]在計算機權(quán)威刊物《Communications of the ACM》上發(fā)表《Computational Thinking》一文，認(rèn)為計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等一系列思維活動。隨后計算思維以其獨特的思維模式、系統(tǒng)的設(shè)計觀、普適的能力理念在問題解決中的作用和價值日益凸顯，再次引起了國內(nèi)外各界學(xué)者的極大關(guān)注。計算思維被認(rèn)為是信息時代每個人都應(yīng)具備的技能之一，應(yīng)該像讀、寫、算一樣并入學(xué)生的各個學(xué)習(xí)階段。各個國家也高度重視計算思維教育，提出了一系列教育改革措施。如英國2014年發(fā)布針對小學(xué)計算課程的計算思維框架。[2]美國2016年“Computer Science for All”計劃指出要讓K12階段的所有美國學(xué)生都掌握計算思維。[3]我國2017年《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》明確提出將計算思維作為學(xué)生重要的信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)。計算思維培養(yǎng)已成為世界各國教育發(fā)展的趨勢之一，并主要體現(xiàn)在信息技術(shù)、計算機科學(xué)、人工智能等學(xué)科中。盡管計算思維研究在近年來得到進(jìn)一步發(fā)展并引起廣泛重視，然而關(guān)于其研究熱點和趨勢尚不清晰。為了更好地把握計算思維的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢并使其與教育有效結(jié)合，有必要厘清其研究脈絡(luò)，以期為計算思維的后續(xù)研究提供參考。

二、數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.數(shù)據(jù)采集與清洗

在中國知網(wǎng)（CNKI）論文數(shù)據(jù)庫，以“計算思維”為主題詞進(jìn)行檢索，檢索作者、時間跨度不限定，期刊來源限定為SCI、EI、CSSCI以及中文核心期刊，初步檢索共計236篇文獻(xiàn)，經(jīng)文獻(xiàn)閱讀，剔除會議通知、征稿啟事等非研究性文獻(xiàn)14篇以及與文章主題相關(guān)度較低的量子計算思維、云計算思維、歷史計算思維、大腦計算思維方式等文獻(xiàn)6篇后，最終獲得有效文獻(xiàn)216篇。

2.研究方法和工具

在研究方法上主要采用共詞聚類分析、社會網(wǎng)絡(luò)分析、多維尺度分析等對文獻(xiàn)內(nèi)容進(jìn)行定量分析。在研究工具方面，分別采用Bicomb 2.0、Unicet 6.0、SPSS 21.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其中Bicomb 2.0用于提取高頻關(guān)鍵詞和構(gòu)建共詞矩陣;Ucinet 6.0用于繪制二維社會網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖譜;SPSS 21.0用于高頻關(guān)鍵詞聚類和多維尺度分析，從而獲得國內(nèi)計算思維研究領(lǐng)域的基本結(jié)構(gòu)。

3.研究過程

研究過程包括以下六個方面：①從中國知網(wǎng)中下載NoteFirst格式的相關(guān)文獻(xiàn)題錄數(shù)據(jù);②利用書目共現(xiàn)分析系統(tǒng)Bicomb 2.0提取關(guān)鍵詞和共詞矩陣;③利用社會網(wǎng)絡(luò)分析軟件Unicet 6.0中嵌套的Net Draw繪制關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖譜;④利用Excel 2013進(jìn)一步得到關(guān)鍵詞的相關(guān)矩陣和相異矩陣;⑤在此基礎(chǔ)上利用SPSS對關(guān)鍵詞相異矩陣進(jìn)行聚類分析和多維尺度分析，繪制計算思維聚類樹狀圖和多維尺度分析圖，并對每一類命名。⑥依據(jù)分析結(jié)果探討計算思維的研究熱點以及研究趨勢。

三、研究結(jié)果分析

1.文獻(xiàn)發(fā)表年度分析

以時間為單位，縱向統(tǒng)計某領(lǐng)域發(fā)文數(shù)量能在一定程度上反映該領(lǐng)域的研究起源以及發(fā)展速度。如圖1所示，2005—2018年間國內(nèi)共發(fā)表計算思維相關(guān)文獻(xiàn)216篇，總體上呈緩慢上升趨勢，2014年增長幅度相對較大。其中2005年蔣宗禮等[4]發(fā)表的《談高水平計算機人才的培養(yǎng)》一文中就提到計算思維在計算機學(xué)科中的重要性，說明我國在2006年以前就有學(xué)者在關(guān)注計算思維，只不過沒有達(dá)到理論的高度。以上數(shù)據(jù)表明計算思維一直受到研究者的關(guān)注，發(fā)展速度在未來一段時間里會持續(xù)上升。此外，透過多項式指數(shù)趨勢線和決定系數(shù)=0.776，預(yù)計未來計算思維文獻(xiàn)數(shù)量將持續(xù)增多。

2.計算思維研究詞頻分析

（1）高頻關(guān)鍵詞分析

高頻關(guān)鍵詞能夠揭示文章主題的核心信息，在一定時期內(nèi)關(guān)鍵詞的集合有助于確定該領(lǐng)域的熱點前沿及發(fā)展趨勢。運用書目共現(xiàn)分析系統(tǒng)Bicomb2.0提取出關(guān)鍵詞839個，在統(tǒng)計過程中合并了意義相近的詞，如：“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”、“大學(xué)計算機課程”合并為“大學(xué)計算機”，“信息技術(shù)學(xué)科”、“信息技術(shù)課程”、“信息技術(shù)教育”合并為“信息技術(shù)教育”等。選擇頻次≥4的關(guān)鍵詞為高頻關(guān)鍵詞，最終確定29個關(guān)鍵詞作為該研究的高頻關(guān)鍵詞，如表1所示。除去“計算思維”主題檢索詞外，排名靠前的高頻關(guān)鍵詞有大學(xué)計算機（38次）、信息技術(shù)教育（27次）、計算機基礎(chǔ)教學(xué)（23次）、教學(xué)改革（19次）、程序設(shè)計（10次）等，這些高頻關(guān)鍵詞基本反映了計算思維研究的現(xiàn)狀和特征。

（2）共詞矩陣分析

在上述關(guān)鍵詞提取的基礎(chǔ)上，在Bicomb2.0中生成29×29的關(guān)鍵詞共現(xiàn)矩陣，導(dǎo)入SPSS中利用相關(guān)分析生成相似矩陣，在Excel中用“1-相似矩陣=相異矩陣”的方法得到相異矩陣（見表2）。相異矩陣中，數(shù)值越小表示兩個關(guān)鍵詞之間的關(guān)聯(lián)程度越大。表2顯示國內(nèi)與計算思維緊密相關(guān)的依次是大學(xué)計算機（0.226）、教學(xué)改革（0.275）、計算機基礎(chǔ)教學(xué)（0.277）、程序設(shè)計（0.301）、教學(xué)模式（0.329）、教學(xué)方法（0.329）、抽象（0.334）等。其中大學(xué)計算機與計算思維關(guān)系最為密切，說明國內(nèi)對高等教育計算機課程與計算思維的研究較多。

（3）社會網(wǎng)絡(luò)分析

為進(jìn)一步研究國內(nèi)“計算思維”研究熱點的內(nèi)部關(guān)系特征，將高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)矩陣導(dǎo)入Ucinet 6.0中對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析，形成高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜，如圖2所示。從節(jié)點大小上來看，除“計算思維”外，“大學(xué)計算機”這一高頻關(guān)鍵詞節(jié)點最大，具有較強的控制其他關(guān)鍵詞的能力，在計算思維培養(yǎng)過程中扮演著非常重要的角色。此外“教學(xué)改革”、“計算機基礎(chǔ)教學(xué)”、“信息技術(shù)教育”節(jié)點也相對較大，是國內(nèi)計算思維研究的熱點。從節(jié)點連線距離看，“計算機基礎(chǔ)教學(xué)”、“教學(xué)改革”與“計算思維”距離最近，連線也較粗，說明它們之間聯(lián)系最緊密。從整個網(wǎng)絡(luò)看，未來研究計算機教育、信息技術(shù)教育仍然是計算思維研究的主陣地，而圍繞計算思維所進(jìn)行的教學(xué)改革將持續(xù)進(jìn)行。

四、計算思維研究熱點分析

為了進(jìn)一步探析國內(nèi)計算思維研究領(lǐng)域的主題結(jié)構(gòu)，將相異矩陣導(dǎo)入SPSS 中，運用離差平方和（ward）聚類統(tǒng)計分析方法，得到計算思維主題分層聚類圖（見圖3）。根據(jù)聚類結(jié)果，筆者將國內(nèi)計算思維研究分為以下四個研究結(jié)果。

1.美國計算機科學(xué)的發(fā)展動態(tài)及對我國的啟示

該主題包括三個關(guān)鍵詞——計算機科學(xué)、美國、計算思維能力。研究內(nèi)容主要是對美國《K-12計算機科學(xué)框架》的解讀分析、[5]計算機科學(xué)課程的國際比較研究以及政策建議、[6]美國中小學(xué)計算機科學(xué)發(fā)展新動向[7]等。由此得出對我國的啟示：要注重培養(yǎng)學(xué)生以抽象、自動、分析為重點的問題解決方法，[8]使學(xué)生成為計算思維者;[9]向全學(xué)段學(xué)生普及計算機科學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生有道德、負(fù)責(zé)任地參與信息社會[10]等。

2.信息技術(shù)、人工智能、編程教育等學(xué)科中核心素養(yǎng)的養(yǎng)成

該主題包括信息技術(shù)教育、人工智能、編程教育、App Inventor、核心素養(yǎng)、信息素養(yǎng)、問題解決等7個關(guān)鍵詞。研究主要集中于信息技術(shù)、中小學(xué)人工智能以及編程教育等學(xué)科中課程核心素養(yǎng)或信息素養(yǎng)的框架及內(nèi)容構(gòu)成、[11]校本課程的開發(fā)與實踐、[12]基于App Inventor這款手機編程工具的教學(xué)研究、[13]基于這些課程的核心素養(yǎng)或信息素養(yǎng)的培養(yǎng)等，以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中體驗和了解非結(jié)構(gòu)化以及半結(jié)構(gòu)化問題的解決過程，培養(yǎng)其多種思維方式。[14]

3.基于計算思維的計算機基礎(chǔ)教學(xué)改革與實踐、教學(xué)模式與方法、課程體系及能力培養(yǎng)

該主題包括計算思維、計算機基礎(chǔ)教學(xué)、教學(xué)改革、教學(xué)實踐、教學(xué)模式、教學(xué)方法、課程體系、能力培養(yǎng)、抽象等14個關(guān)鍵詞。由于計算思維的提出明確了計算機基礎(chǔ)教育改革的目標(biāo)和方向，因此該主題也成為國內(nèi)計算思維研究的主要領(lǐng)域，且大部分研究是圍繞計算思維在高等教育中的教學(xué)實踐展開的。從教學(xué)改革策略上看主要有方法推動式[15]（即讓學(xué)生在潛移默化中掌握計算思維）、內(nèi)容重組式[16]（以計算思維為主線對計算學(xué)科中已有的核心知識點和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新組織）、全面更新式（逐步推動以及內(nèi)容重組相結(jié)合）三種。從教學(xué)改革模式構(gòu)建上看主要有基于計算思維的探究式教學(xué)模式[17]、網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)模式[18]、任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式[19]、WPBL教學(xué)模式[20]以及輕游戲教學(xué)模式[21]和問題引導(dǎo)式教學(xué)模式[22]等。從教學(xué)改革效果來看，大多數(shù)研究通過準(zhǔn)實驗和問卷調(diào)查等方法證明了課程體系改革的有效性，比如課程受到學(xué)生的熱烈歡迎，選課人數(shù)急劇增加、經(jīng)過培訓(xùn)學(xué)生獲得了多項國際計算機競賽獎、得到了同行的積極響應(yīng)等。[23]

4.大學(xué)計算機以及非計算機專業(yè)慕課、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)模式的探索與實踐

該主題包括大學(xué)計算機、慕課、翻轉(zhuǎn)課堂、課程改革、非計算機專業(yè)5個關(guān)鍵詞。主要研究計算思維導(dǎo)向下，如何利用和融合MOOC、SPOC、翻轉(zhuǎn)課堂等新型教學(xué)模式來促進(jìn)大學(xué)計算機以及非計算機專業(yè)學(xué)生有意識地利用計算思維進(jìn)行問題求解，[24]實現(xiàn)大學(xué)生計算思維能力的創(chuàng)新培養(yǎng)以及均衡發(fā)展。研究充分考慮了計算機專業(yè)和非計算機專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)計算機課程時的不同，并指出計算思維問題不僅只局限于理科專業(yè)，在文科專業(yè)的教學(xué)中也可進(jìn)行計算思維能力的培養(yǎng)。[25]

五、計算思維研究趨勢討論

為進(jìn)一步確定各研究主題和各關(guān)鍵詞之間的相對位置，運用歐式距離（Euclidean）法對相異矩陣進(jìn)行多維尺度分析，生成計算思維多維尺度分析圖譜，如圖4所示。可以看出，位于第一象限的領(lǐng)域三距離坐標(biāo)中心最近，密度最大，說明領(lǐng)域三內(nèi)部關(guān)鍵詞之間以及與其他領(lǐng)域之間的聯(lián)系均比較緊密，是目前計算思維研究的熱點，未來還將進(jìn)一步圍繞計算思維的本質(zhì)、計算學(xué)科的教學(xué)模式和教學(xué)方法等展開研究。位于第二、三象限的領(lǐng)域二與領(lǐng)域三相比，密度和向心度稍低，其中問題解決和信息素養(yǎng)距離中心較近，因此計算思維、問題解決、信息素養(yǎng)三者之間的關(guān)系仍然是未來研究的重要取向。位于第三象限的領(lǐng)域一處于相對比較偏遠(yuǎn)的位置，研究主題狹窄，未來研究的廣度和深度有待進(jìn)一步深化。位于第三、四象限的領(lǐng)域四距離中心較遠(yuǎn)，但慕課、翻轉(zhuǎn)課堂、課程改革三者聯(lián)系緊密，仍是研究熱點。且領(lǐng)域三和領(lǐng)域四距離較近，未來的研究中或許會走向融合?，F(xiàn)結(jié)合以上討論以及國外計算思維研究進(jìn)展對我國計算思維未來的發(fā)展趨勢及方向提出建議。

1.增強計算思維理論研究

目前我國計算思維理論層面的研究還停留在對國外相關(guān)計算思維的起源、概念、含義、本質(zhì)等的介紹層面。主要是對國外周以真教授、國際教育技術(shù)協(xié)會（ISTE）和美國計算機科學(xué)教師協(xié)會（CSTA）所提出的計算思維的概念進(jìn)行解讀。通常認(rèn)為計算思維是一種問題解決的過程，主要包括問題的表述、數(shù)據(jù)的組織和分析、數(shù)據(jù)的抽象模擬、基于算法思想的解決方案、分析與實施方案、方案的遷移[26]等步驟。而國內(nèi)只有極少數(shù)學(xué)者對計算思維的概念、內(nèi)涵、外延給出了自己的定義，如張立國等（2018）指出計算思維是使用科學(xué)工具進(jìn)行抽象模擬以尋求問題解決最優(yōu)化方案的系統(tǒng)過程。[27]準(zhǔn)確界定計算思維內(nèi)涵與外延關(guān)乎計算思維發(fā)展與培養(yǎng)能否成功，所以未來研究中要進(jìn)一步加強計算思維理論層面的研究。

2.豐富計算思維評價研究

目前國內(nèi)關(guān)于學(xué)生計算思維能力的實證研究大部分是在特定學(xué)科如信息技術(shù)、計算機課程中完成的，包括教學(xué)模式設(shè)計和探索性嘗試。通過設(shè)計對照試驗，在一段時間的教學(xué)干預(yù)后對學(xué)生實驗前和實驗后的計算思維測量結(jié)果進(jìn)行對比。測量內(nèi)容大部分集中于學(xué)生計算機的應(yīng)用能力、學(xué)生對計算思維的理解、學(xué)生課堂上的表現(xiàn)以及學(xué)生對學(xué)習(xí)結(jié)果滿意度等方面，測量內(nèi)容不全面且可信度較低。而國外計算思維測量方式多元化，主要包括教育活動實施中的評價（例如一般編程問題的測試、畫流程圖、反思自評報告等）和計算思維測量測試平臺[28]，此外已經(jīng)開發(fā)出信度和效度均較高的計算思維測量量表且投入應(yīng)用。計算思維評價研究的內(nèi)容未來還要進(jìn)一步豐富，提高實效。

3.開展計算思維教學(xué)能力研究

計算思維作為一種分析和解決問題的方法，它的發(fā)展歷史是悠久的，但又是嶄新的，對于師生來說它是一種新興的思維模式。“提升學(xué)生的計算思維，教師是關(guān)鍵”[29]，所以如何對教師進(jìn)行計算思維教學(xué)能力的相關(guān)培訓(xùn)以使其更好地服務(wù)于教學(xué)就顯得至關(guān)重要。我國國務(wù)院于2018年2月5號印發(fā)《關(guān)于全面深化新時代教師隊伍建設(shè)改革的意見》（中央4號文件）更是提到教師是教育發(fā)展的第一資源，并決定開展教師隊伍建設(shè)全面調(diào)研工作?？梢娢磥磲槍處熡嬎闼季S教學(xué)能力的研究將是該領(lǐng)域的一大趨勢。

4.注重計算思維一體化規(guī)劃研究

計算思維作為21世紀(jì)人人都要掌握的基本能力之一，具有普適性的價值理念。計算思維并不是計算機專業(yè)學(xué)生的“專利”，非計算機專業(yè)的學(xué)生也要學(xué)會用“抽象”的思維方式來解決問題。計算思維也不是大學(xué)生的“獨權(quán)”，K12階段的孩子同樣要重視運用這種思維方式來理解信息社會和自然。因此未來要繼續(xù)加強非計算機專業(yè)學(xué)生計算思維培養(yǎng)的研究以及如何將計算思維貫穿到人文社科類學(xué)科中。此外，特別要注重計算思維培養(yǎng)的一體化規(guī)劃，使各學(xué)段計算思維相關(guān)的課程標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)容有清晰的層次性和銜接性，以實現(xiàn)基礎(chǔ)教育和大學(xué)教育計算思維培養(yǎng)的全覆蓋、均衡化、系統(tǒng)化。

六、結(jié)束語

計算思維作為信息時代的產(chǎn)物，利用其思維模式來引導(dǎo)人們清晰地了解信息社會、積極地參與信息社會，并負(fù)責(zé)任地應(yīng)對信息社會帶來的一系列沖擊和挑戰(zhàn)顯得至關(guān)重要。我國計算思維的研究目前還處于起步階段，其研究的廣度和深度有待進(jìn)一步加強，尤其是如何將計算思維深度貫穿于學(xué)生整個學(xué)習(xí)過程將是未來計算思維研究的核心內(nèi)容。

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（編輯：王天鵬）