國內中小學計算思維培養研究綜述

劉麗君 周雄俊

摘要：計算思維與人們的日常生活及工作密切相關，是高度信息化社會中每個人都應掌握的思維方式。其概念的提出最早起源于計算機科學領域，近年來計算思維逐漸拓展到中小學基礎教育領域。本文根據中小學計算思維培養的研究情況，采用內容分析法，對國內期刊上有關中小學計算思維培養研究的文章從文獻數量、研究類型和關鍵詞等維度進行量化統計分析。分析發現，已有研究中理論研究和定性研究占多數，目前中小學計算思維的培養大多集中在信息技術學科。在內容分析的基礎上，本文對目前中小學計算思維培養研究已有成果進行了簡要的陳述與總結，描述了中小學計算思維培養的趨勢，以期為該領域的研究者及一線教師提供一些參考和借鑒。

關鍵詞：計算思維培養;中小學;核心素養

中圖分類號：G434 ?文獻標識碼：A ?論文編號：1674-2117（2018）11-0038-07

引言?

2018年1月16日，教育部印發了《普通高中信息技術課程標準》（2017年版）（以下簡稱新課標）。在新課標中，計算思維作為四大核心素養之一首次被列入信息技術學科教學的范疇，這標志著計算思維的培養將在中小學教學日程中占據重要地位。新課標指出，計算思維是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動。[1]其概念最早起源于計算機科學領域，由麻省理工學院Seymour Papert教授于1996年提出，而將其提到“臺前”，使其開始受到廣泛關注的是美國卡內基梅隆大學的周以真教授。2006年3月，周以真教授在美國計算機權威雜志Communications of the ACM上發表并定義了計算思維，提出計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計，以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。[2]2011年，ISTE和CSTA對計算思維的概念作了進一步闡釋，指出計算思維是一個用來解決問題的過程，有以下六個特點：①制訂問題，并能使用外界工具幫助解決問題;②組織和分析數據要符合邏輯;③通過抽象，如模型、仿真等重現數據;④通過一系列有序的步驟支持自動化的解決方案;⑤識別、分析和實施可能的解決方案，找到最有效的方案，并且有效結合這些步驟和資源;⑥將該問題的求解過程進行推廣并移植到更廣泛的問題中。[3]

隨著高度信息化社會的來臨，計算思維已經超越傳統計算機環境中“為計算而思維”的學術觀念，形成“用計算而思維”的數字化生存的普適理念，成為信息化社會中人們處理問題的一種重要思維方式。[4]近年來，計算思維逐漸拓展到基礎教育領域，在中小學教育活動中掀起陣陣波瀾。高中信息技術新課標指出，在信息活動中，具備計算思維的學生能通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運用合理的算法形成解決問題的方案;能總結利用計算機解決問題的過程與方法，將其遷移到與之相關的其他問題解決中。[5]因此，在學科教學中，除了要求學生掌握閱讀、寫作和算術之外，還應讓其學會運用計算思維去解決問題，以更好地適應時代和創新的需要。

學者牟琴將計算思維的發展歷程分為三個階段，第一階段為萌芽時期（20世紀80年代），第二階段為奠基時期（1986—2006年），第三階段為混沌時期（2006年至今）。[6]學者李峰等人認為，自20世紀60年代至今，計算思維教育歷程大體可分為“計算知識接受”“認知工具應用”和“普適價值推廣”三個發展階段。[7]

從以上階段劃分可知，目前計算思維教育正處于混沌時期，其普適價值需要在中小學教育中得到進一步推廣，國內相關研究者和中小學一線教師也因此展開了對計算思維培養的研究。以“計算思維 中小學”為檢索詞進行檢索，檢索結果顯示，我國有關中小學計算思維培養的研究主要發生在2012—2017年間。本文嘗試從文獻數量、資源類型與作者分布、期刊來源、研究類型和關鍵詞等方面對最終確定的樣本文獻進行內容分析，梳理出我國中小學計算思維培養的現狀、研究存在的問題及發展趨勢等，以期為中小學計算思維培養研究者和一線教師提供參考。

研究設計

1.研究樣本

利用CNKI數據庫進行檢索，以專業檢索的方式“SU='計算思維' AND SU='中小學'”進行檢索，共檢索到101篇文章。在此基礎上，筆者初步刪除了與中小學計算思維培養相關度不大的文獻，如篇名涉及到國外、高校、大學等字眼，主題內容與計算思維明顯無關，文獻來源為非核心期刊或重要期刊等，最終確定了60篇文章為研究樣本。

2.研究方法

為了對2012—2017年間我國有關計算思維在中小學培養情況進行詳細分析，筆者主要采用內容分析法進行研究，內容分析法是一種以各種文獻為研究對象的研究方法。對經過檢索和篩選得到的研究樣本文獻的數量分布、論文作者、研究內容等進行歸類統計，通過對統計結果的分析得出研究結論和建議。本研究的數據統計和圖表生成主要使用CNKI計量可視化分析、SPSS 22、書目共現分析系統BICOMB2等軟件。

筆者主要從文獻數量、資源類型與作者分布、期刊來源、研究類型和關鍵詞五個方面著手，通過統計分析，詳細闡述中小學計算思維培養的現有研究成果及發展趨勢。

3.研究成果數量統計分析

（1）文獻數量逐年分布分析

2012—2017年間中小學計算思維培養研究的論文數量分布情況如圖1所示。據圖可知，自2012年起，相關研究開始涌現，首篇涉及“計算思維 中小學”內容的文獻是2012年王榮良撰寫的《計算思維：一種新的學科思維方式》。分析逐年數量分布可得，中小學計算思維的培養研究起步較晚，在2012年到2015年之間呈穩定上升趨勢。2017年高中信息技術課程標準中提出學科核心素養，將計算思維作為關鍵要素納入學科核心素養系統，“計算思維 中小學”相關文獻總數達到有史以來最多，刊載在教育技術學核心期刊上的文獻數量明顯增加。

（2）資源類型與作者分布分析

對60篇樣本文獻的資源類型和作者分布情況進行統計分析，結果分別如下頁表1和下頁圖2所示。從下頁表1可知，53篇文獻來源于期刊，7篇為碩士學位論文。從下頁圖2可知，從事中小學計算思維培養研究的知名專家有王榮良、任友群、李藝和李峰等人。

（3）期刊來源分析

通過分析文獻的期刊來源，可了解該研究領域被關注的情況。如下頁圖3所示，目前“計算思維 中小學”主題檢索到的相關文獻期刊來源主要分為9種，排名前6位的期刊均為教育技術學專業期刊，依次為《中國信息技術教育》《中小學信息技術教育》《中國電化教育》《電化教育研究》《中小學電教》和《中國教育技術裝備》，其中《中國電化教育》和《電化教育研究》為教育技術的核心期刊。以上期刊刊載有關中小學計算思維培養的文獻數量約占該主題文獻總數的63.3%，可見，涉及中小學計算思維培養的研究主要出現在教育技術學領域，教育技術學者是該研究領域的主力軍，但核心期刊每年刊載的中小學計算思維培養的相關論文并不多，其更多是關注大學教育中學生計算思維的培養。

通過分析論文的機構分布情況，可以清楚地了解國內中小學計算思維培養研究的分布情況。圖4分析結果顯示，師范類高校以及各地教育研究中心、研究院和國內實驗小學、實驗中學等其他機構對計算思維培養的關注度較高。師范類高校中，華東師范大學在該研究領域的研究成果領先于其他高校，發文數量占樣本文獻總量的23.3%，任友群、王榮良等華東師范大學研究人員均是中小學計算思維培養研究的知名專家，其研究成果可為相關研究人員提供參考和示范。

（4）研究類型分析

研究類型是對科學研究活動總體研究方式的抽象概括，能集中反映研究者的研究方式和研究思路。李蔚在《我國績效技術發展的新態勢——近七年我國績效技術學術期刊論文的內容分析》一文中，給出了教育科學研究的類型劃分，按研究內容分為理論研究和應用研究，按研究性質分為定性研究和定量研究。[8]

使用上述分類方法對60篇樣本文獻進行研究內容的類型判定，并對判定結果進行描述性統計分析，結果如圖5所示，以2012年為時間起始點，2013年之前，有關中小學計算思維培養的研究以理論研究為主。2013年以后，應用研究類型的文獻數量大于理論研究，且逐年增加，研究者們的研究重心逐漸從理論研究轉移到應用研究，努力探索中小學計算思維培養實踐的優化路徑。今后的研究中，教師也應以理論為支撐，將計算思維真正帶入中小學教學實踐中，通過實踐中的總結和反思，探討出更貼切、更有效的理論以支持和推動相關研究的持續發展。

在判定樣本文獻為定性研究或定量研究的過程中，由于較多樣本文獻采用了兩者研究結合的方式，難以直接界定其屬于哪類。筆者通過對這類文獻進行內容分析發現，定性研究往往為定量研究提供獲取數據的方式，因此本文將兩者結合的文獻判定為定量研究。使用SPSS對研究性質判定結果進行描述性統計分析（如圖6）。據圖可知，2012—2017年間，中小學計算思維培養研究中的定性研究數量均高于定量研究。

（5）關鍵詞分析

關鍵詞可以反映某個領域的研究熱點和發展趨勢。本文使用書目分析系統BICOMB2對檢索到的60篇樣本文獻進行關鍵詞詞頻統計分析。陳瑜林在《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》中提到，進行高頻詞選擇時，一般截取累計頻次占總頻次的40%左右的關鍵詞作為高頻詞。[9]經統計得到220條關鍵詞，選取28條出現頻次大于等于2的關鍵詞作為高頻詞，其累計頻次百分比達43.20%，符合高頻詞截取標準，具體統計數據如表2所示。

觀察表2可知，除檢索所用的主題詞“計算思維”和“中小學”之外，信息技術、中小學信息技術、信息技術課程、Scratch、信息素養、高中信息技術、計算機科學、信息技術教育等均為中小學計算思維培養高頻關鍵詞統計中排名前10的關鍵詞，這些關鍵詞都“聚焦”于中小學信息技術，說明在中小學信息技術教學中，計算思維的培養受到較多關注，而其他學科對計算思維培養的關注度較低。

研究成果述評

1.理論研究成果述評

在本文統計的60篇樣本文獻中，通過對文獻內容進行分析，最終確定樣本文獻中理論研究類文章有26篇，約占總樣本數量的43%。下頁表3為中小學計算思維培養理論研究的主要內容提取結果，理論類文章的研究內容除計算思維概念、研究歷程等之外，主要涉及到中小學計算思維培養研究現狀、中小學計算思維培養策略與方法、計算思維培養實踐過程的反思、計算思維對中小學信息技術學科的啟示和影響、面向核心素養的信息技術教育等內容。由此可知，相關理論研究中涉及到的主要內容為中小學信息技術學科中計算思維的培養。

在中小學信息技術課程中的計算思維的培養研究中，核心素養是一個重要的關鍵詞。李藝將核心素養刻畫為由雙基層、問題解決層和學科思維層構成的“三層結構”，“問題解決以雙基為基礎，學科思維以雙基和問題解決為基礎，學科思維喚醒并照耀著問題解決層和雙基層，使之一并產生價值和意義。[10]信息技術課程核心素養框架以核心素養為縱向維度，以計算思維為橫向維度，將計算思維劃分為對象與管理、設計與制作、合作與協作等六組平行且互有關聯的思維類別。新課標也將計算思維納入學科核心素養，指出高中信息技術學科核心素養由信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任四個核心要素組成，計算思維是學科核心素養系統的核心及關鍵要素，影響其他三個要素發展的質和量，在一定程度上決定了學科核心素養的優劣。[11]

在新課標的落實過程中，如何開展計算思維培養實踐呢？華東師范大學任友群等人認為，計算思維是一種運用計算概念和工具解決實際問題的過程，也是一種需要系統培養、鍛煉的科學思維方式，可以將其從方法習得、工具應用、思維遷移三個層面與中小學信息技術課程融合并落實。[12]為更有效地落實，需要明確計算思維的表現性特征，合理組織教學內容，研究可行的教學方法，即建立計算思維的表現性標準，設計與標準一致性的教學內容，組織實踐探究性的教學活動。[13]

已有的相關研究中，大部分研究者都致力于探索中小學信息技術課程中計算思維的培養，但計算思維作為一種解決問題的思維，在解決問題過程中是否體現計算思維并不是以是否使用計算機作為判斷依據，而是是否運用了計算科學的學科思維和方法。[14]計算思維不僅是計算機科學家的專利，它對于每個人來說都是一種基本技能，為了能夠更好地進行閱讀、寫作和算數，應該將計算思維融入每個孩子的分析能力中。[15]因此，可以在除信息技術學科之外的其他學科教學中融合計算思維，引導學生像計算機科學家一樣思考問題，將計算思維中的分解、遞歸、建模等思想貫徹到語文、數學等信息技術課程之外的課程教學中去。在日常學習、生活中，培養學生將復雜問題有意識地分解為若干易于管理和執行的簡單問題并按順序和步驟解決的能力。針對具體的問題，引導學生利用信息技術工具推理、判斷和決策的過程也是計算思維發展的過程，幫助學生理解“計算”是個人學習與生活的一部分。此外，學校綜合課程的開展也為計算思維的教育提供了機會，學生在應用信息技術完成具體任務的過程中，可以體驗到計算思維的作用，掌握相應的概念，形成利用計算思維解決問題的方法。[16]研究者謝忠新也認為，中小學學生計算思維的培養途徑不僅僅局限于信息技術學科，其他學科、STEAM等多學科融合的課程也能培養學生的計算思維，在非正式的學習中教師同樣應該關注計算思維的培養。[17]因此，除信息技術課程，學科融合、綜合課程等同樣是培養和發展學生計算思維的新思路和重要途徑。

2.應用研究成果述評

（1）應用的學科分析

分析樣本文獻可知，當前計算思維培養實踐中涉及到的學科以信息技術學科為主，少數研究基于數學、語文等其他學科。提到計算思維，人們可能認為計算思維的培養是信息技術課程的內容，是信息技術教師需要關注與思考的問題，這種想法較為片面。各學科學習中，學生都需要在完成學習任務時思考如何將復雜的過程分解成若干可行的子步驟來完成所需的任務，如在數學學科中，學生在解決問題之前需要識別和提取問題中的關鍵信息。英語學科中，學生寫作時要規劃寫作、思考主要事件、區分背景等。可見，計算思維不是中小學信息技術課程獨有的，其他學科也涉及到學生計算思維的培養。

（2）應用的載體分析

相關研究者大多圍繞編程、信息技術學科基礎教學內容等展開實踐研究，且存在一個共同點，即都涉及到應用軟件，如Scratch編程軟件、AppInventor、畫圖軟件、Excel和Photoshop等。統計樣本文獻發現，基于信息技術學科基礎教學內容的應用研究文獻占比21%，基于編程內容的應用研究文獻占比約為54.6%，主要涉及到Scratch編程、AppInventor安卓程序編程、Arduino和信息學競賽（如素數、雞兔同籠）等內容，且以Scratch編程居多（占比約30.3%）。對比可知基于編程內容的研究更多，究其原因，計算思維培養所面向的學習者基礎知識儲備和自身學習能力等差異性水平較高，而編程學習對學科基礎知識的要求更低，更易于中小學生接受，同時也有較多交互性良好的編程平臺可供選擇，因此相關研究者和一線教師常將計算思維同編程聯系起來，利用Scratch培養學生的計算思維能力和創造力，讓學生使用Scratch進行動畫、故事和游戲等創作，既滿足他們創造和表達的需要，又能讓他們體驗從日常思維到計算思維的轉變。如果僅僅用編程作為內容支撐進行計算思維培養可能會使計算思維的培養陷入一種固定模式，因此需要研究者和一線教師們進行更多的探索。

（3）教學思想與方法分析

已有研究中，研究者們常將計算思維同創客教育、STEAM教育、不插電的計算思維、PBL和協作式學習等結合起來。王同聚利用項目學習、體驗式學習和個性化學習等創客學習的優勢，培養學生的計算思維和創新思維能力，激發學生的創造力和想象力，為發展學生的核心素養助力。[18]竇穎進行了在中小學信息科技課堂中開展不插電的計算機科學教學的應用研究，幫助學生揭示那些被計算機科學家們運用于設計計算機系統的多元化的思路和技術，把問題化繁為簡，以激發學習興趣，培養學生計算思維和創新能力。生詩蕊以高中信息技術課程為依托，將PBL教學模式和計算思維進行整合，提出了計算思維的培養目標，構建了基于PBL的計算思維培養模型，并在高中信息技術課程中的基礎知識模塊、拓展模塊以及研究模塊進行了運用。

總結與討論

相關研究者們對計算思維的定義有一個共同點，即計算思維與“問題解決”密切相關，與我們的學習、生活密切相關，是一種描述當人們思考如何利用計算機來解決問題時所采用的過程和方法。身處高度信息化的社會之中，人們需要具備一定的計算思維能力才能更好地認識和適應社會，就像寫作、算術，計算思維應成為日常生活中人們都會做的事情，計算思維也應是人人都具備的，最普遍、最適合、最不可或缺的思維方式。計算思維培養既與信息技術學科相關，也與其他學科密切相關，有必要將計算思維融入到其他學科教學中。

我國中小學計算思維培養尚有較大的發展空間，需要涌現更多的實踐研究，推動計算思維融入到具體的教學實踐中去。在落實計算思維培養的過程中，應針對小學、初高中不同階段，按照從易到難、由簡至深、螺旋上升的原則進行布局。筆者認為，在今后的中小學教學研究中，計算思維培養將會出現兩種趨勢：一是信息技術課程成為中小學開展計算思維教育的主要渠道，計算思維作為核心素養已被納入新課標中，將作為信息技術學科的核心素養存在，自然而然地從小學向高中延續，信息技術學科教師的教學中也會貫穿計算思維的思想。換言之，越來越多的信息技術學科教學內容中會融入計算思維培養的思想。二是計算思維在其他學科教學中的培養。計算思維可看作人或人借助計算機開始解決問題之前所進行的思考，除信息技術學科之外，其他學科均涉及到問題解決。因此，有必要將計算思維培養拓展到其他學科教學中，授人魚不如授人以漁，教給學生書本知識不如傳授學生學習、思考和解決問題的方法，其他學科教師也可將計算思維融入到具體教學內容和教學環節中，培養學生運用計算思維的思想進行理解、思考和解決問題的能力，以更好地適應信息社會的需求。

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第一作者：劉麗君（1995—），女，四川儀隴人，碩士在讀，主要從事信息技術教育研究。通訊作者：周雄俊（1976—），男，四川廣漢人，副教授，主要從事信息技術教育研究。

基金項目：全國教育信息技術研究2017年度專項課題“基于‘慧道智慧教學平臺的混合學習實踐研究”（課題編號：176130013）。