基于CiteSpace的國際計算思維研究可視化分析

摘" 要：運(yùn)用CiteSpace對2013—2022年國際計算思維研究進(jìn)行分析與解讀，研究發(fā)現(xiàn)，國際計算思維研究歷程可以分為初步探索和快速發(fā)展兩個階段，發(fā)文數(shù)量呈增長趨勢；相關(guān)研究文獻(xiàn)主要發(fā)表在教育技術(shù)和計算機(jī)科學(xué)相關(guān)的期刊上；研究以機(jī)構(gòu)合作為主，大部分作者屬于師生或同事關(guān)系，最多產(chǎn)作者來自中國，但從文章數(shù)量和總被引次數(shù)來看，大部分作者來自美國；研究主要集中在學(xué)科體系發(fā)展、能力培養(yǎng)、教育干預(yù)、培養(yǎng)驅(qū)動研究等方面。

關(guān)鍵詞：CiteSpace；計算思維；知識圖譜；可視化分析

中圖分類號：TP391.4" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）10-0168-04

Visual Analysis of International Computational Thinking Research Based on CiteSpace

CAI Ronghua， YUAN Hui， GAO Rong

（Key Laboratory of Big Data Research and Application of Basic Education， Hunan Normal University， Changsha" 410081， China）

Abstract： It uses CiteSpace to analyze and interpret international Computational Thinking research from 2013 to 2022， it is found that the history of international Computational Thinking research can be divided into two phases： initial exploration and rapid development， and the number of papers issued is on the increase. Papers about relevant research is mainly published in journals related to educational technology and computer science. Research is mainly based on institutional cooperation， most of writers belong to faculty-student or colleague relationships， and the most prolific writers are from China， but in terms of the number of papers and the total number of citations， most of the writers are from the United States. The research mainly focuses on the development of disciplinary systems， competence development， educational interventions， and cultivation-driven research.

Keywords： CiteSpace; Computational Thinking; Knowledge Graph; visual analysis

0" 引" 言

周以真指出，計算思維應(yīng)當(dāng)是每個人都具備的基本技能，而不僅僅是計算機(jī)科學(xué)家的專屬技能，每個人都應(yīng)具備閱讀、寫作、算術(shù)和計算思維四種基本技能[1]。她的論點(diǎn)提供了一個新的視角，引發(fā)了計算思維的研究浪潮。國際上對計算思維的研究已經(jīng)有了一定的積累，但是由于研究領(lǐng)域的廣泛性和復(fù)雜性，研究成果分散，難以形成系統(tǒng)性的研究成果。因此，本研究對近10年國際計算思維研究進(jìn)行綜述，有助于系統(tǒng)性地了解國際上計算思維研究的現(xiàn)狀和熱點(diǎn)。

1" 研究設(shè)計

1.1" 數(shù)據(jù)來源

文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來源于WOS核心合集，以標(biāo)題“computational thinking”、語種“English”進(jìn)行檢索，文獻(xiàn)類型排除社論材料、修訂、信函、會議錄論文、書籍評論和會議摘要，類別選擇教育教學(xué)研究（Education Educational Research）和教育科學(xué)學(xué)科（Education Scientific Discipline），時間跨度為2013—2022年。剔除重復(fù)結(jié)果后得到相關(guān)有效文獻(xiàn)457篇，并將“全記錄與引用的參考文獻(xiàn)”導(dǎo)出為純文本文件，作為本研究的分析數(shù)據(jù)。

1.2" 研究方法

本研究運(yùn)用文獻(xiàn)計量學(xué)的方法，借助陳超美教授開發(fā)的可視化工具CiteSpace繪制知識圖譜，對特定領(lǐng)域文獻(xiàn)集合進(jìn)行計量，以探尋出學(xué)科領(lǐng)域演化的關(guān)鍵路徑及其知識拐點(diǎn)，并利用一系列可視化圖譜的繪制，來對學(xué)科演變的潛在動態(tài)機(jī)制進(jìn)行分析[2]。

2" 研究現(xiàn)狀分析

2.1" 發(fā)文趨勢

本研究統(tǒng)計了2013—2022年國際計算思維各年份發(fā)表的文獻(xiàn)量，如圖1所示，對發(fā)表年度數(shù)量進(jìn)行分析，能有效地了解計算思維相關(guān)研究在國際上的時間分布特點(diǎn)?？傮w而言，2013—2022年，計算思維的研究發(fā)表量呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢，其研究歷程可劃分為初期探索和迅速發(fā)展兩個階段。第一個階段為2013—2016年，年度發(fā)文數(shù)量較少，只有個位數(shù)；第二個階段為2016年之后，計算思維研究呈快速增長趨勢，這與各國或地區(qū)實(shí)施了相關(guān)政策和措施相關(guān)，2016年，美國計算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會（CSTA）發(fā)布了《K-12計算機(jī)科學(xué)框架》，將計算思維作為框架的核心內(nèi)容[3]，我國在《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中將計算思維作為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一[4]。

2.2" 期刊分布

載文期刊可以直接反映計算思維研究領(lǐng)域成果的集中分布，表明該期刊的學(xué)術(shù)傳遞信息能力。2013—2022年，共有102種出版物發(fā)表了有關(guān)計算思維的文章，計算思維相關(guān)研究主要發(fā)表在教育技術(shù)和計算機(jī)科學(xué)相關(guān)的期刊上。其中，《教育與信息技術(shù)》《教育計算研究雜志》分別以41篇發(fā)文量位居第一，是發(fā)表論文最多的期刊，其次是《教育信息學(xué)》《計算機(jī)教育》《互動學(xué)習(xí)環(huán)境》等期刊。

2.3" 作者分析

作者是領(lǐng)域研究的主題，在促進(jìn)某一學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展中起著引導(dǎo)作用，能夠帶動學(xué)科的發(fā)展與方向引領(lǐng)，形成重要的學(xué)術(shù)團(tuán)體。最多產(chǎn)的計算思維研究人員是孫立會（Sun Lihui），Sun等人[5]撰寫了許多在編程中培養(yǎng)計算思維的實(shí)證研究，并且還利用學(xué)生的編程態(tài)度來預(yù)測計算思維。Hershkovitz等人[6]探索了創(chuàng)造力和計算思維之間的聯(lián)系，Kong等人[7]研究考察了編程對計算思維和自我效能的有效性和教師發(fā)展對學(xué)生計算思維的影響，Olmo-Mu?oz等人[8]的研究重點(diǎn)是在基礎(chǔ)教育中通過不插電編程來培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。

研究人員之間協(xié)作的網(wǎng)絡(luò)模型由228個節(jié)點(diǎn)和203個鏈接組成，如圖2所示，其中，天津大學(xué)的孫立會、胡琳琳與周丹華，特拉維夫大學(xué)的Fishelson和Hershkovitz，均屬于機(jī)構(gòu)合作，且為師生或同事關(guān)系。

3" 研究熱點(diǎn)分析

3.1" 高頻詞分析

為了進(jìn)一步了解不同時期研究主題的演變情況，本研究對關(guān)鍵詞進(jìn)行年份統(tǒng)計處理，可以發(fā)現(xiàn)計算思維研究有三個演化特征，如表1所示。

具體分析如下：

1）研究對象不斷擴(kuò)大。計算思維早期的研究主要涉及計算機(jī)科學(xué)教育領(lǐng)域，利用計算手段來解決問題，而計算機(jī)和編程課程主要在學(xué)習(xí)計算機(jī)科學(xué)專業(yè)的大學(xué)課堂中開展，可視化編程語言的出現(xiàn)讓中小學(xué)學(xué)生更早地接受計算思維培養(yǎng)。

2）實(shí)踐探索不斷深入。如Hudson等人[9]設(shè)計了一種多方面的基于機(jī)器人的干預(yù)措施，這種易于實(shí)施、教師友好的基于機(jī)器人的干預(yù)對學(xué)生計算思維技能的發(fā)展產(chǎn)生了積極的變化。

3）評價體系不斷完善。計算思維技能培養(yǎng)的效果需要利用工具和方法進(jìn)行測量，早在2010年，邱漢光等人就以Agent Sheets為基礎(chǔ)，開發(fā)了一種名為計算思維模式圖（CTP）的評估工具，用于對學(xué)生在制作游戲程序時，運(yùn)用其來評估計算思維概念的使用情況。Korkmaz等人[10]設(shè)計開發(fā)了一個由29個題目組成的計算思維評價量表（CTS），可用于識別學(xué)生的計算思維水平。

3.2" 聚類分析

通過LLR算法進(jìn)行聚類分類，得到關(guān)鍵詞聚類圖譜，如圖3所示，其中Q = 0.83＞0.3，S = 0.94＞0.7，表明聚類結(jié)構(gòu)比較顯著。

結(jié)合具體文獻(xiàn)對關(guān)鍵詞聚類分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前國際計算思維研究領(lǐng)域的主要內(nèi)容包括以下4個方面：

1）#0基礎(chǔ)教育（Elementary Education）、#4計算機(jī)科學(xué)教育（Computer Science Education）和#11科學(xué)教育（Science Education）可以劃分為計算思維學(xué)科體系發(fā)展研究，該大類下的關(guān)鍵詞有“K-12、科學(xué)、學(xué)生、學(xué)校、老師”等。計算思維早期的研究主要涉及計算機(jī)科學(xué)教育領(lǐng)域，利用計算手段來解決問題。越來越多的國家和國際組織開始講計算思維培養(yǎng)的內(nèi)容，明確地納入到了中小學(xué)教育的目標(biāo)任務(wù)之中，并且還在積極地開展各種實(shí)踐探索[11]。

2）#1問題解決（Problem Solving）和#2計算機(jī)問題解決（Computational Problem Solving）可以劃分為計算思維能力培養(yǎng)研究，該大類下有“計算思維、教育、有效性、框架、游戲”等關(guān)鍵詞。計算思維應(yīng)該是一種思維過程，重視在真實(shí)的問題情境，將相關(guān)知識點(diǎn)運(yùn)用到問題的解決之中，因此，在不同的情況下，學(xué)習(xí)者面對問題，并對其進(jìn)行解決的過程，更有利于提升學(xué)習(xí)者的計算思維水平[10]。編程課程不僅能讓學(xué)生掌握編程和計算機(jī)操作，還可以通過設(shè)計并創(chuàng)作自己的游戲，來提升學(xué)生的思維能力、解決問題的能力以及創(chuàng)造力[12]。

3）#5教育機(jī)器人（Educational Robotics）、#6編程專業(yè)（Programming Profession）、#7以證據(jù)為中心的設(shè)計（Evidence- Centered design）和#9基于塊的編程（Block-Based Programming）可以劃分為計算思維教育干預(yù)研究，該大類下的關(guān)鍵詞有“機(jī)器人、技能、設(shè)計、Scratch、技術(shù)”等。研究人員試圖利用編程工具、機(jī)器人、游戲和非數(shù)字干預(yù)在各種教育環(huán)境中教授計算思維知識和技能，目標(biāo)人群從幼兒園到大學(xué)生不等[13]。實(shí)施最多的干預(yù)措施包括教育機(jī)器人、基于塊的編程和教育游戲[14]。研究表明，易于使用的可視化編程語言的出現(xiàn)，使用編程工具教授兒童編程的方法才得以廣泛研究[15]。

4）#3教師發(fā)展（Teacher Development）、#8自我效能（Self Efficacy）和#10 主動學(xué)習(xí)（Active Learning）可以劃分為計算思維培養(yǎng)驅(qū)動研究，該大類下有“知識、模型、性別、小學(xué)、態(tài)度”等關(guān)鍵詞?，F(xiàn)有的研究成果中，針對教師計算思維教學(xué)能力的研究有限，主要側(cè)重于在職教師的職業(yè)發(fā)展，但很少有培訓(xùn)職前教師的教師教育方案，教師教育者需要首先培養(yǎng)教師如何進(jìn)行計算思維的知識和技能，才能教會學(xué)生進(jìn)行計算思維[16]。機(jī)器人可以作為可行的教學(xué)策略來促進(jìn)科學(xué)學(xué)習(xí)，提高對機(jī)器人和機(jī)器人教學(xué)的自我效能信念，并在職前教師中發(fā)展計算思維技能[17]。同時，有必要設(shè)計一個以興趣為導(dǎo)向、具有中等難度和合作機(jī)會的計算思維課程，來提高學(xué)生的創(chuàng)造性自我效能。

4" 結(jié)" 論

本研究采用文獻(xiàn)計量學(xué)和知識圖譜可視化的方法，對2013—2022年在國際上發(fā)表的計算思維研究成果進(jìn)行統(tǒng)計與分析，主要得出以下結(jié)論：

從研究現(xiàn)狀來看，國際計算思維研究呈增長趨勢，特別是2016年之后，由于國際上相關(guān)政策和措施的推動，相關(guān)研究大幅度增加，且主要發(fā)表在教育技術(shù)和計算機(jī)科學(xué)相關(guān)的期刊上，國際計算思維研究學(xué)術(shù)團(tuán)體以機(jī)構(gòu)合作為主，大部分屬于師生或同事關(guān)系，最多產(chǎn)作者來自中國，但從文章數(shù)量和總被引次數(shù)來看，大部分作者來自美國。目前來說，大多數(shù)計算思維相關(guān)研究僅限于少數(shù)研究人員和機(jī)構(gòu)進(jìn)行，還沒有形成具有影響力的學(xué)術(shù)團(tuán)體。隨著計算思維相關(guān)研究受到越來越多的關(guān)注，未來必須推動研究人員進(jìn)行國際合作和比較研究。

從研究熱點(diǎn)來看，國際計算思維研究形成了4大類別，分別是計算思維學(xué)科體系發(fā)展、計算思維能力培養(yǎng)研究、計算思維教育干預(yù)研究、計算思維培養(yǎng)驅(qū)動研究。隨著計算思維逐漸成為STEM教育的核心，更多的研究者開始定義計算思維在數(shù)學(xué)、科學(xué)等學(xué)科課堂中的理論基礎(chǔ)，主張將計算思維嵌入數(shù)學(xué)和科學(xué)環(huán)境中。在培養(yǎng)學(xué)生計算思維的同時，將其嵌入到學(xué)科教學(xué)中，關(guān)鍵在于設(shè)計和開發(fā)一種科學(xué)有效的計算思維評價工具。計算機(jī)編程特別是Scratch等可視化編程語言成為計算思維培養(yǎng)實(shí)踐中的重要工具，因?yàn)樗鼈兙邆涞烷T檻和高上限兩個特征，既能讓初學(xué)者快速入門，又能滿足高水平者的需求。

總的來說，盡管計算思維研究已經(jīng)在國際上得到了廣泛的重視，但已有的研究與實(shí)踐探索仍存在不足之處。具體如：定義尚未統(tǒng)一，造成不同學(xué)者對計算思維的理解和定義存在差異，導(dǎo)致了研究結(jié)果的不一致性，且不同的研究難以進(jìn)行比較；評估和測量方法尚未成熟，目前，計算思維的評估主要依賴于問卷調(diào)查和實(shí)驗(yàn)室測試，存在一定的局限性，等等。

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作者簡介：蔡榮華（1968—），男，漢族，湖南益陽人，副教授，博士，研究方向：教育信息化系統(tǒng)工程。