我國計算思維能力培養(yǎng)的研究熱點與趨勢
——基于CiteSpace的可視化分析

甘 茂 華

(四川外國語大學教育技術(shù)中心 重慶 400031)

0 引 言

隨著信息技術(shù)、人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，計算思維對人才培養(yǎng)的影響逐漸引起教育領(lǐng)域的關(guān)注。2006年3月，美國卡內(nèi)基·梅隆大學的周以真教授指出[1]，計算思維應當是每個人都具備的技能，不僅僅只有計算機科學家才具有計算思維。新時期的每一個人都應該具備閱讀、寫作、算術(shù)和計算思維四種基本技能。隨后，計算思維的研究相繼開展起來，尤其是教育領(lǐng)域?qū)τ谌绾闻囵B(yǎng)學生的計算思維能力引起了廣大研究者的關(guān)注。然而，目前還沒有關(guān)于計算思維相關(guān)的全面的、可視化的圖譜現(xiàn)狀分析?；诖?，結(jié)合CiteSpace5.3可視化分析工具，運用文獻計量法對2008年-2018年國內(nèi)計算思維能力培養(yǎng)研究內(nèi)容進行全面性的可視化分析，旨在深入了解計算思維研究的前沿問題，培養(yǎng)計算思維的方法和路徑，未來計算思維能力培養(yǎng)研究的發(fā)展趨勢，為計算思維的進一步研究提供思路。

1 數(shù)據(jù)來源及處理

研究采用的是美國陳美超教授[2]研發(fā)的CiteSpace(5.3版本)可視化分析軟件，該軟件被廣泛應用與多學科的學術(shù)論文分析，期刊、作者共被引關(guān)系分析和知識圖譜繪制。數(shù)據(jù)來源是中國知網(wǎng)核心期刊數(shù)據(jù)庫和碩博論文數(shù)據(jù)庫收錄的相關(guān)文獻。以“計算思維”進行主題搜索，搜索年限為2008年-2018年，剔除重復和會議、征文等無關(guān)文獻后，析出文獻總數(shù)為235條。檢索結(jié)果以Refworks的格式導出并命名為Dowload-1，用CiteSpace數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)換為CNKI格式后可用CiteSpace進行分析。

2 結(jié)果與分析

CiteSpace可以自動抽取施引文獻的關(guān)鍵詞產(chǎn)生聚類詞(Cluster)，用來總結(jié)研究聚集點，每個聚類可以當作一個聯(lián)系緊密的獨立研究領(lǐng)域[2]。采用CiteSpace5.3對知網(wǎng)2008年-2018年的核心期刊數(shù)據(jù)庫和碩博論文數(shù)據(jù)庫中的235條計算思維相關(guān)文獻進行可視化分析。文獻時間(Time Slicing)設為“2008-2018”；時間切片單位(Years Per Slice)設為1年；Term Source 下的四個復選框(Title、Abstract、Author Keywords、 Keywords Plus)全選；節(jié)點類型(NodeTypes) 設為關(guān)鍵詞(Keyword)；閾值(Selection Criteria)設置TopN%=50%，可視化(Visualization)選擇Static和ShowMerged Network。單擊運行按鈕(go)開始運行CiteSpace，得到文獻的關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜，如圖1所示。其中N=393，E=977，Density=0.012 7，N表示網(wǎng)絡節(jié)點個數(shù)，E表示網(wǎng)絡連線數(shù)量，Density表示網(wǎng)絡密度。而網(wǎng)絡模塊化的評價指標Modularity的Q=0.683 1，Q取值區(qū)間一般為[0,1]，值越大表示其聚類效果越好，如果Q>0.3,則表明劃分的聚類結(jié)構(gòu)是顯著的。網(wǎng)絡同質(zhì)性評價指標Silhouette的值越接近1，反映網(wǎng)絡的同質(zhì)性越高。圖1中Mean Silhouette=0.921 7，因此，該聚類結(jié)果可信度高，其呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)是有參考價值的。下面通過知識圖譜的可視化進行關(guān)鍵詞詞頻統(tǒng)計、關(guān)鍵詞突現(xiàn)性分析等方式，探討計算思維研究熱點及趨勢。

圖1 計算思維關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

2.1 CiteSpace文本分析：計算思維研究熱點

2.1.1關(guān)鍵詞引用頻次分析

2008年-2018年，計算思維研究領(lǐng)域出現(xiàn)頻次最高的是“計算思維”351次，然后是“教學模式”35次，“大學計算機基礎”31次，“教學改革”29次，“計算機基礎教學” 25次，“大學計算機”16次，“信息技術(shù)課程”15次，“實驗教學”14次，“scratch”14次，“app inventor”13次，如表1所示。

表1 2008年-2018年計算思維領(lǐng)域的高頻關(guān)鍵詞

1) 高頻研究熱點“計算思維”。桂林電子科技大學的董榮勝教授從計算機方法論的角度討論了什么是計算思維[3]。國防科技大學的朱亞宗教授認為計算思維是與實驗思維、理論思維齊名的三大科學思維之一[4]。四川師范大學牟琴以時間為線索，將計算思維劃分為了萌芽時期、奠基時期和混沌時期三個階段[5]。董榮勝教授于2010年發(fā)布了九校聯(lián)盟(C9)計算機基礎教學發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明[6]，將計算思維的研究推向了高潮，國內(nèi)掀起了計算思維研究熱浪。繼而產(chǎn)生了計算機基礎教學改革研究、教學模式研究、計算思維能力培養(yǎng)研究等新的熱點。

2) 高頻研究熱點“教學模式”。經(jīng)過前期各專家學者的研究和界定，一致認為計算思維是人的重要思維，培養(yǎng)人的計算思維勢在必行。牟琴等研究者相繼提出了基于計算思維的探究式教學模式[7]、任務驅(qū)動式探究模式[8]、網(wǎng)絡自主學習模式[9]等多種教學模式。李禾[10]分析了基于計算思維的計算機公共基礎課研究性的教學模式。李賢陽等[11]提出了基于計算思維的問題導學型教學模式。李輝等[12]提出了計算思維視野下大學計算機基礎課程任務驅(qū)動式教學模式。楊文正等[13]提出了計算思維導向的多元混合教學模式。張茵茵[14]提出了培養(yǎng)小學生計算思維的問題解決教學模式。由此可見，專家學者都認為教學模式是培養(yǎng)計算思維能力的必經(jīng)途徑。

3) 高頻研究熱點“大學計算機基礎”。從計算思維的概念辨析到如何培養(yǎng)人的計算思維，各大專家學者掀起了一陣教學模式研究熱。而通過多年的教學模式研究發(fā)現(xiàn)，對學習者的計算思維能力的培養(yǎng)效果不是很令人滿意。于是大家又達成了共識，要培養(yǎng)計算思維，必須要進行課程改革。而大學計算機基礎作為每一位大學生的必修課，那么對大學計算機基礎的課程設置、架構(gòu)改革就顯得尤為重要了。陳國良、董榮勝、戰(zhàn)德臣等討論了大學計算機基礎課程改革的必要性和重要意義，并給出了大學計算機改革的基本思路，構(gòu)建了面向計算思維的大學計算機課程體系[15-18]。

4) 高頻研究熱點“教學改革”。要讓人人都具備計算思維，那么傳統(tǒng)的教學要如何進行改革呢？僅靠大學計算機基礎的課程改革來培養(yǎng)人的計算思維是遠遠不夠的。于是研究者們開始關(guān)注分階段、分專業(yè)、分課程進行促進計算思維形成的教學改革。李輝等[19]提出了以計算思維為導向的農(nóng)類高職院校計算機基礎課程教學改革。冀素琴等[20]提出了以計算思維為導向的財經(jīng)類ACCESS課程的教學改革方式。何中勝等[21]提出了面向計算思維的文獻檢索課程的教學改革方法。焦純等[22]研究了基于計算思維的醫(yī)藥院校計算機基礎課程教學改革方式。

2.1.2關(guān)鍵詞突變性分析

關(guān)鍵詞突變性是指在某段時間內(nèi)，關(guān)鍵詞的頻率突然上升或下降，代表研究領(lǐng)域的趨勢轉(zhuǎn)變方向[23]。利用CiteSpace的突變系數(shù)(Burst)對計算思維的關(guān)鍵詞進行突變檢測分析，進一步確定計算思維領(lǐng)域的研究前沿，如圖2所示進行突變系數(shù)檢測設置，其檢測出來的突變關(guān)鍵詞為11個。表2列舉了具體的高頻關(guān)鍵詞的頻次和突變系數(shù)(突變系數(shù)降序排練)。

圖2 突變系數(shù)設置

表2 計算思維關(guān)鍵詞共現(xiàn)頻次及突變系數(shù)

從表1可以看出，在2008年-2017年計算思維的相關(guān)研究中，突變系數(shù)最高的關(guān)鍵詞是大學計算機基礎，突變性為4.476 5，突變年份為2012年；突變系數(shù)排在第二位的關(guān)鍵詞是計算學科，突變性為4.362 4，突變年份為2008年；突變系數(shù)排在第三位的關(guān)鍵詞是app inventor，突變系數(shù)為4.287 9，突變年份為2017年；突變系數(shù)排在第四位的關(guān)鍵詞是教學模式，突變系數(shù)為3.994 3，突變年份為2015年；突變系數(shù)排在第五位的關(guān)鍵詞是問題解決，突變系數(shù)為3.486 8，突變年份為2017年。

從關(guān)鍵詞的突變性來看，2008年，“計算學科”成了計算思維領(lǐng)域的熱點關(guān)鍵詞；2010年，研究者開始關(guān)注“計算機基礎教學”；2011年，“computational thinking”引起了研究者的關(guān)注，但是關(guān)注度不是很高；2012年，“大學計算機基礎”關(guān)鍵詞的突現(xiàn)，激起了教育界的各大研究者的熱情，成為了2012年的計算思維研究領(lǐng)域的新熱點；2013年出現(xiàn)的突現(xiàn)關(guān)鍵詞是“計算機基礎教學”；2014年，研究者們又從關(guān)注“大學計算機基礎”轉(zhuǎn)向了“教學內(nèi)容”和“信息技術(shù)教育”，學者們認識到計算思維不僅僅只在大學階段才能培養(yǎng)，也不只是計算機基礎課程才能培養(yǎng)計算思維，于是研究者們紛紛開始關(guān)注“教學內(nèi)容”和“信息技術(shù)教育”；2015年，研究者們主要關(guān)注“教學模式”關(guān)鍵詞；2016年，“計算思維能力”關(guān)鍵詞突現(xiàn)，成為了研究者重點關(guān)注的領(lǐng)域。那么計算思維能力到底需要一種什么能力呢？2017年，突現(xiàn)關(guān)鍵詞“問題解決”給出了很好的回應。

2.2 CiteSpace視圖分析：計算思維能力培養(yǎng)研究發(fā)展趨勢

2.2.1關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜分析

2008年-2009年，計算思維能力培養(yǎng)研究領(lǐng)域最大的熱點關(guān)鍵詞是“計算思維”，其頻次高達351次，如圖3所示；到了2010年-2011年，研究熱點變?yōu)榱恕敖虒W模式”，“實驗教學”，“程序設計”等；2012年-2014年，計算思維領(lǐng)域的研究集中在“大學計算機基礎”、“教學改革”、“信息技術(shù)課程”、“計算思維能力”等；2015年-2018年，研究者的關(guān)注點變?yōu)榱恕坝嬎闼季S教育”、“計算機科學”、“問題解決”。

圖3 2008年-2018年計算思維研究領(lǐng)域關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

2.2.2聚類視圖分析

去除基本關(guān)鍵詞“計算思維”后，對關(guān)鍵詞網(wǎng)絡通過LLR(對數(shù)似然率算法)進行聚類，得到聚類結(jié)果如圖4所示，共得到11個聚類。將這11個聚類劃分為計算思維課程體系構(gòu)建研究、計算思維能力培養(yǎng)研究、計算思維教學模式研究三大類，下面對三類聚類進行分析。

圖4 2008年-2018年計算思維研究領(lǐng)域的聚類視圖

1) 計算思維課程體系構(gòu)建——2個聚類。

聚類#4課程體系和聚類#7大學計算機課程可以劃分為計算思維課程體系構(gòu)建研究，該大類下提取出的關(guān)鍵詞有“大學計算機基礎課程”、“信息技術(shù)課程”、“可視化編程”、“課程改革”、“教學設計”、“教學實踐”、“策略”、“教學改革”等?？梢钥闯?，這2個聚類側(cè)重呼吁大學計算機基礎課程體系的變革來促進計算思維的發(fā)展，比如戰(zhàn)德臣等構(gòu)建了基于計算思維的大學計算機基礎課程體系，擬通過課程體系改變來促進學習者計算思維的形成。

2) 計算思維能力培養(yǎng)研究——4個聚類。

聚類#0計算思維能力、聚類#6問題解決、聚類#8能力培養(yǎng)、聚類#9創(chuàng)新能力這四個聚類可以劃分為計算思維能力培養(yǎng)的研究。該大類下提取出來的關(guān)鍵詞有“計算思維能力”、“能力培養(yǎng)”、“信息素養(yǎng)”、“創(chuàng)新能力”、“問題解決”等。這4個聚類都是專家學者致力于培養(yǎng)人的計算思維能力的研究。通過前階段研究者對計算思維概念的界定，對計算思維重要性的探討認可，對大學計算機基礎課程體系進行重構(gòu)后，如何培養(yǎng)人的計算思維能力成為了新的研究熱點。朱鳴華等研究者就探討了通過改變課程結(jié)構(gòu)、改變教學方法、在教學過程中增加任務驅(qū)動和第二實踐平臺來培養(yǎng)學生計算思維能力[24-25]。

3) 計算思維教學模式研究——5個聚類。

聚類#1教學模式、聚類#2實驗教學、聚類#3計算思維教育、聚類#5計算機基礎教學、聚類#10教育這五個聚類可以劃分為計算思維教學模式研究。該大類下提取的關(guān)鍵詞“教學模式”、“教學方法”、“教學設計”、“實踐教學”、“混合式學習”、“自主學習”等。這5個聚類重點研究教學模式。研究者們將探究型教學模式、網(wǎng)絡自主教學模式、任務驅(qū)動式教學模式、問題解決型教學模式等多種教學模式與計算思維相融合，把計算思維融入到各種教學模式的每一個教學環(huán)節(jié)中。

2.2.3時間線視圖分析

時間線視圖主要用于勾畫各聚類之間的關(guān)系和某聚類的時間跨度[23]。設置時間切片為1年，切換為時間線視圖(Timeline View)，可以清晰地看到計算思維各個聚類熱點的演變過程，如圖5所示。

聚類#0 計算思維能力從2011年一直持續(xù)到2018年，研究者們一直沒有停止過關(guān)注計算思維能力。

聚類#1 教學模式從2010年開始有研究者關(guān)注，期間探究教學、任務驅(qū)動、大學計算機基礎、C語言、高中信息技術(shù)、程序設計與算法等是研究者們關(guān)注的重點。

聚類#2 實驗教學從2009年開始受到研究者們的關(guān)注，其中的“關(guān)注點分離”、“形式化描述”、“問題抽象”、“問題解決”等實驗型教學問題成為了研究熱點。

聚類#3 計算思維教育的重點關(guān)注時間是在2012年，持續(xù)到了2018年，關(guān)注熱點有“stem”、“編程語言”、“人工智能”、“app inventor”、 “可視化編程”等。

聚類#4 課程體系從2009年一直持續(xù)到了2018年，關(guān)注點逐漸從“大學計算機基礎”向“學科融合”、“學科交叉”等方向轉(zhuǎn)變。

聚類#5 計算機基礎教學從2010年到2018年，研究者們一直持續(xù)關(guān)注，從關(guān)注課程體系結(jié)構(gòu)變革，到關(guān)注教學模式轉(zhuǎn)變，到2018年，計算機基礎教學與專業(yè)、學科的融合成為了新的研究熱點。

聚類#6 問題解決從2013年開始得到了研究者們的廣泛關(guān)注，主要研究熱點有“K12”、“學科素養(yǎng)”、“計算科學”、“問題解決能力”等。

聚類#7 大學計算機基礎課程從2011年持續(xù)到了2015年，持續(xù)時間較短。研究者重點關(guān)注大學計算機基礎課程改革。

聚類#8 能力培養(yǎng)、聚類#9創(chuàng)新能力和聚類#10教育的持續(xù)時間均不長，從2015年開始關(guān)注度逐漸降低。

在時間線視圖中，可以看出各時間段之間的連線關(guān)系，梳理出計算思維研究熱點變化趨勢，理清其發(fā)展的方向。

3 計算思維能力培養(yǎng)研究存在的問題及未來發(fā)展趨勢

3.1 計算思維能力培養(yǎng)研究存在的問題

計算思維得到了廣大專家學者的認可，國內(nèi)對計算思維的研究也開展了10多年了。基于上述可視化分析，研究者對計算思維的研究熱點沒有絲毫的降低，還在持續(xù)發(fā)熱。然而，研究者們認為，國內(nèi)關(guān)于計算思維的研究還處于初級階段，研究內(nèi)容不夠廣泛，研究模式創(chuàng)新性不足，研究深度還有待進一步加強?？偨Y(jié)起來，主要存在如下問題：

(1) 計算思維相關(guān)課程設置缺乏深度 當今社會是信息社會，是高科技社會，人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等高新技術(shù)已經(jīng)成為衡量一個國家核心競爭力的重要指標。而如何駕馭這些高新技術(shù)，提供國家的綜合競爭力，這就對人才的培養(yǎng)機制提出了較高的要求。國家要強大，離不開人才的培養(yǎng)，而人才的培養(yǎng)要立足于服務社會和促進經(jīng)濟發(fā)展的需要。為了打造出世界一流的信息化創(chuàng)新性人才，美國、英國、新西蘭等國家已經(jīng)將計算思維寫入了基礎教育國家課程標準中，投入了大量的資金以推動計算思維教育。在國內(nèi)，大家也意識到了計算思維能力的重要性。2017年，國務院在《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中提出要全面提高社會對人工智能的整體認識和應用水平。實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育[26]。而當前的中小學階段計算思維相關(guān)課程多數(shù)只設置了信息技術(shù)課程。信息技術(shù)課程主要的課程框架有計算機軟硬件知識、操作系統(tǒng)、office操作、網(wǎng)絡工具的應用、繪圖工具的應用。少數(shù)的一線城市中小學開設有機器人、編程、微視頻制作等興趣課程，但均沒有全面普及教育。這些內(nèi)容存在著知識結(jié)構(gòu)太簡單、內(nèi)容單一、趣味性不大、缺乏深度等缺點，與現(xiàn)代的人工智能、大數(shù)據(jù)、計算思維的契合度較低，無法有效地培養(yǎng)人的計算思維。因此，教育各個階層的教材編著者、政策制定者和相關(guān)研究人員應根據(jù)計算思維的核心內(nèi)容，結(jié)合各階段學習者的信息技術(shù)水平，制定不同的計算思維相關(guān)課程體系和計算思維評價指標，為具體教育實踐提供良好的指導。

(2) 教師的信息技術(shù)專業(yè)素養(yǎng)不足以全面培養(yǎng)計算思維能力 在計算思維能力的培養(yǎng)過程中，教師的信息技術(shù)專業(yè)素養(yǎng)起著關(guān)鍵的作用。隨著計算思維研究熱浪的推來，國內(nèi)迎來了一大批教學模式、教學內(nèi)容的改革之風，但是對于如何讓教師具備計算思維能力，如何讓教師具備培養(yǎng)學生的計算思維能力卻鮮有研究。因此，當下首要任務應該分階段、分層次地加強教師的信息技術(shù)專業(yè)素養(yǎng)培訓，提升各類教師的計算思維能力。只有教師的計算思維能力得到提升，才能更好地培養(yǎng)學生的計算思維能力。研究者們接下來也可以深入研究如何提升在職教師和未來教師的計算思維能力，幫助教師盡快掌握如何進行計算思維能力培養(yǎng)的教學實踐。

(3) 計算思維能力培養(yǎng)研究的實證挖掘和效果評價缺乏 在已有的計算思維教學實踐研究案例中，多數(shù)是以大學計算機基礎、程序設計等課程知識點為例，將計算思維的各個知識點融入已有的教學模式中，以小眾教學為研究對象，缺乏該模式推廣重用后的實證研究。分析各計算思維教學模式后發(fā)現(xiàn)，如何評價其教學效果的研究也幾乎為零。因此，如何結(jié)合教學實踐，探索計算思維的教學模式、檢驗計算思維的教學效果是研究者們接下來要思索的問題。

3.2 未來計算思維能力培養(yǎng)研究的發(fā)展趨勢

(1) 計算思維課程的廣度、深度及跨學科培養(yǎng)計算思維 計算思維是運用計算機科學的基本概念求解問題、構(gòu)建系統(tǒng)、理解人類行為的一系列思維活動。計算思維的培養(yǎng)不等于編程教育，而是要讓學習者學會像計算機科學家一樣地思考問題，解決問題。研究者可以根據(jù)計算思維的核心內(nèi)容，面向中小學、高校等各個階層構(gòu)建既有深度又有廣度的計算思維課程。依托信息技術(shù)、數(shù)學、物理、自然等不同學科，實現(xiàn)跨學科培養(yǎng)計算思維能力。

(2) 計算思維能力的評價 計算思維能力培養(yǎng)效果到底如何呢？國內(nèi)還沒有專門針對于計算思維的評價體系，也很少有研究對計算思維能力進行評價。因此，計算思維的培養(yǎng)效果不能很好地進行量化。教師如何對學生的計算思維能力進行評價量化是未來計算思維教育研究的一個重要方向。

(3) 教師計算思維能力的培訓 計算思維的發(fā)展、計算思維人才的培養(yǎng)都離不開教師對計算思維的理解。當前階段，能很好地運用計算思維來解決問題的人才還比較缺乏，能承擔培養(yǎng)人的計算思維的教育工作者更是少之又少。因此加強信息技術(shù)專業(yè)教師和非專業(yè)教師的計算思維能力培訓勢在必行，只有先提高教師的計算思維能力，才能盡快實現(xiàn)人人都具備計算思維能力。

4 結(jié) 語

計算思維是未來社會每個人所必備的基本技能，不僅僅屬于計算機科學家。計算思維的相關(guān)研究對教育、人才培養(yǎng)、人工智能的發(fā)展有著舉足輕重的作用。通過對近10年來國內(nèi)計算思維相關(guān)文獻的研究，對計算思維能力培養(yǎng)的研究熱點和前沿進行了關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析、關(guān)鍵詞突現(xiàn)性分析、關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜分析、關(guān)鍵詞聚類圖譜分析和關(guān)鍵詞時間線視圖分析，清晰地了解到了計算思維已有的研究現(xiàn)狀及熱點前沿。當然，研究過程中也存在著不足之處。CiteSpace可視化分析工具的數(shù)據(jù)來源主要以發(fā)表的論文為主，不包括書籍、報告、論著等文獻來源，因此選擇的數(shù)據(jù)源覆蓋面不全。且CiteSpace的參數(shù)設置比較復雜，閾值、時間切片以及排除的關(guān)鍵詞等設定不同，也會對研究結(jié)果產(chǎn)生一些影響。在后續(xù)研究中，還會擴大樣本數(shù)據(jù)庫，持續(xù)關(guān)注計算思維的發(fā)展，積極思考如何推進計算思維教育，為計算思維的普及指引方向。