基于知識圖譜的計算思維研究熱點與趨勢分析

田治　何仁生　蔡孟秋

摘要摘要：計算思維已成為當前計算機領(lǐng)域與教育領(lǐng)域關(guān)注的一個熱點。以中國期刊網(wǎng)全文數(shù)據(jù)庫作為文獻來源，以關(guān)鍵詞包含“計算思維”的核心期刊論文為主要研究對象，共得到文獻214篇。通過系統(tǒng)聚類分析與多維尺度分析可知，在我國計算思維研究熱點中主要圍繞四大主題展開：計算思維理論研究、計算思維與學(xué)科課程研究、計算思維導(dǎo)向的計算機課程改革研究、基于計算思維的教學(xué)模式研究。未來需要積極開展計算思維培養(yǎng)體系研究、計算思維培養(yǎng)模式研究、計算思維評價體系與實證研究及計算思維促進創(chuàng)新能力培養(yǎng)策略研究。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：計算思維；計算機學(xué)科；計算機教育；研究綜述

DOIDOI：10.11907/rjdk.173352

中圖分類號：TP301

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2018）009000904

英文標題The Research Hotspot and Trend Analysis of Computational Thinking Based on Knowledge Atlas

——副標題

英文作者TIAN Zhi， HE Rensheng， CAI Mengqiu

英文作者單位（School of Physics and Electronics，Hunan University，Changsha 410000，China）

英文摘要Abstract：Computational thinking has become a hotspot in the field of computer science and education. This article takes the China National Knowldge Infrastructure database as the literature source， and the papers with the key words of computational thinking from core journals as main research objects， by which 214 papers are obtained. It is concluded from the system cluster analysis and multidimensional scale analysis that the research focus of computational thinking in China focuses on four main themes covering computational thinking theory research， computational thinking and subject curriculum research， computer curriculum reform research based on computational thinking， and teaching model research on computational thinking. It is pointed out in the future the following research need to be carried out actively including research on the training system of computational thinking， research on the training mode of computational thinking， the evaluation system and empirical research of computational thinking， and the strategy of fostering innovative ability by computational thinking.

英文關(guān)鍵詞Key Words：computational thinking； computer science； computer education； research overview

0引言

2006年美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計算機科學(xué)系主任周以真（Jeannette M.Wing）教授[1]在COMMUNICATIONS OF THE ACM上發(fā)表了Computational Thinking論文。之后，計算思維概念得到了國內(nèi)外各界學(xué)者的廣泛研究與探討。目前，計算思維已經(jīng)成為我國計算機教育的重點研究課題。2010年《九校聯(lián)盟（C9）計算機基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》發(fā)布，明確指出計算機基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生的“計算思維”能力[2]。2012年教育部高教司批準設(shè)立了22個以計算思維為切入點的大學(xué)計算機課程改革項目。2016年高中信息技術(shù)課程標準修訂將計算思維作為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一[3]。計算思維研究成為各個教育階段關(guān)注重點。本文利用計算思維研究熱點知識圖譜，結(jié)合定量分析與定性分析兩種方式，分析計算思維研究熱點與發(fā)展趨勢。這將為深入認識計算思維內(nèi)涵，認清與把握今后計算思維的發(fā)展趨勢提供有力支持。

1研究設(shè)計

1.1樣本來源與數(shù)據(jù)選擇

本文以中國期刊網(wǎng)全文數(shù)據(jù)庫（CNKI）作為文獻來源，論文檢索期刊限定為CSSCI來源期刊與中文核心期刊。以關(guān)鍵詞“計算思維”為檢索條件，檢索截止日期設(shè)為2017年12月8日，共檢索到文獻249篇，除去非直接相關(guān)文獻，共得到有效文獻214篇。

1.2數(shù)據(jù)分析方法與工具

本文采用一般計量分析、共現(xiàn)分析、聚類分析、多維尺度分析等數(shù)據(jù)分析方法，得到可視化知識圖譜，展現(xiàn)出計算思維研究熱點與趨勢。數(shù)據(jù)分析工具為文獻題錄信息統(tǒng)計分析工具SATI3.2與統(tǒng)計分析軟件SPSS 20.0，研究過程有數(shù)據(jù)獲取、共詞分析、知識圖譜分析3個階段，具體過程如圖1所示。

2研究結(jié)果與分析

2.1高頻關(guān)鍵詞分析

本文應(yīng)用SATI3.2軟件提取樣本文獻關(guān)鍵詞，將詞

頻大于3的關(guān)鍵詞確定為研究高頻關(guān)鍵詞，整理得到26個高頻關(guān)鍵詞，高頻關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻率累計為3024%，達到知識圖譜規(guī)定的分析標準值。關(guān)鍵詞具體情況如表1所示。

關(guān)鍵詞作為文章內(nèi)容標簽，可以在很大程度上反映文章核心內(nèi)容，因此高頻關(guān)鍵詞反映了某個研究領(lǐng)域的研究熱點。由表1可知，頻次大于或等于8從高到低依次為計算思維、教學(xué)改革、大學(xué)計算機基礎(chǔ)、計算機基礎(chǔ)教學(xué)、大學(xué)計算機、教學(xué)模式、信息技術(shù)課程、程序設(shè)計、能力培養(yǎng)、信息技術(shù)。這些高頻關(guān)鍵詞涉及教學(xué)改革、計算機基礎(chǔ)教學(xué)、信息技術(shù)課程等多個方面，由此可以看出計算思維的提出，引發(fā)了大學(xué)計算機教學(xué)改革、高中信息技術(shù)課程改革、學(xué)生能力培養(yǎng)等多方面的研究。總之，計算思維在大學(xué)計算機教學(xué)方面的研究應(yīng)用最為廣泛。

計算思維研究熱點不僅體現(xiàn)在關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次上，還體現(xiàn)在關(guān)鍵詞之間的關(guān)系上。本文利用SATI軟件生成了高頻關(guān)鍵詞相異矩陣（27×27），如表2所示。

相異矩陣中數(shù)值越接近1，表明兩個關(guān)鍵詞之間距離越遠，相似度越小；數(shù)值越接近0，表明兩個關(guān)鍵詞距離越近，相似度越大。從完整的關(guān)鍵詞相異矩陣進行分析，距離較近的關(guān)鍵詞有計算思維與程序設(shè)計（0.947 4）、大學(xué)計算機與非計算機專業(yè)（0.82）、大學(xué)計算機與課程改革（0.871 4）、信息技術(shù)課程與核心素養(yǎng)（0.911 1）、課程改革與信息素養(yǎng)（0.857 1）、美國與計算機科學(xué)（0.857 1）等，以上數(shù)據(jù)在一定程度上反映了計算思維研究熱點。

2.2高頻關(guān)鍵詞聚類分析

關(guān)鍵詞聚類分析是指把關(guān)系密切的關(guān)鍵詞聚在一起，形成類團，使類團內(nèi)相似性最大，類團間相似性最小。將STAI產(chǎn)生的高頻關(guān)鍵詞矩陣（27×27）導(dǎo)入 SPSS20.0 中進行聚類分析，得到高頻關(guān)鍵詞聚類如圖2所示。

2.3多維尺度分析

多維尺度分析法是一種將多維空間的研究對象簡化到低維空間進行定位、分析與歸類，同時保留研究對象間原始關(guān)系的數(shù)據(jù)分析方法[4]。采用SPSS 22.0進行多維尺度分析，采用Euclidean距離模型生成計算思維研究知識圖譜。如圖3所示，本文根據(jù)知識圖譜將計算思維研究分為4個領(lǐng)域。

2.4研究熱點分析

通過聚類分析與多維尺度分析，可將我國計算思維研究熱點概括為以下4個方面：

（1）計算思維理論研究。

涉及的關(guān)鍵詞有大學(xué)計算機基礎(chǔ)、計算機基礎(chǔ)教學(xué)、計算學(xué)科、能力培養(yǎng)、教學(xué)改革與實踐教學(xué)等。這些關(guān)鍵詞都與計算機學(xué)科有關(guān)，計算思維是計算機學(xué)科思維，是計算機學(xué)科區(qū)別其它學(xué)科的依據(jù)之一，計算思維能力是計算機人才必備的一項能力。研究學(xué)科思維可以促進學(xué)科發(fā)展，在計算思維前期研究階段，研究內(nèi)容主要集中在計算思維內(nèi)涵、特點等方面。國內(nèi)外廣泛認同的計算思維定義來自周以真（Jeannette Wing）教授，他將計算思維定義為運用計算機科學(xué)基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)的一系列思維活動。國內(nèi)很多關(guān)于計算思維的定義都是在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。例如，董榮勝[5]將周以真教授定義中的“基礎(chǔ)概念”更改為“思想與方法”，從計算機方法論角度定義計算思維[5]。同時，有研究者指出周以真教授關(guān)于計算思維的觀點具有一定局限性，不是經(jīng)過深入科學(xué)論證得到的結(jié)果。計算思維概念在學(xué)者之間還沒有達成共識，計算思維理論研究還將是研究者關(guān)注的熱點。

（2）計算思維與學(xué)科課程的聯(lián)系。

涉及的關(guān)鍵詞有軟件工程、計算機課程、計算機科學(xué)、計算機人才、信息技術(shù)、計算機教育、核心素養(yǎng)與信息技術(shù)課程等。其關(guān)鍵詞涉及多方面、多領(lǐng)域，計算思維作為一種基本思維方式在各個學(xué)科中都有體現(xiàn)。目前研究主要集中在大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程與高中信息技術(shù)課程，大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程強調(diào)計算思維的培養(yǎng)是計算機學(xué)科的重要價值。戰(zhàn)德臣等[6]分析了當前計算機教育存在的危機，提出危機應(yīng)對辦法。隨著新一輪信息技術(shù)課程改革，計算思維在高中階段引起了激烈討論。例如，張學(xué)軍等[7]采用大量案例，對高中信息技術(shù)課程中蘊含的計算思維進行細致分析，挖掘出各個模塊內(nèi)容中蘊含的計算思維，為有效實施計算思維教育提供了保障。任友群等[8]闡述了計算思維進入中小學(xué)信息技術(shù)教育的必要性與可行性。

（3）計算思維導(dǎo)向的計算機課程改革。

涉及的關(guān)鍵詞有抽象、課程體系、課程改革、大學(xué)計算機、非計算機專業(yè)與信息素養(yǎng)等。關(guān)鍵詞還包括計算機學(xué)科知識與課程改革方面，隨著計算機的逐漸普及，大學(xué)計算機教育只有改革才能在新形勢下繼續(xù)發(fā)展。劉貴松等[9]提出課程改革的頂層規(guī)劃，分析了計算機課程的總體教學(xué)目標，探討了大學(xué)計算機系列課程有關(guān)改革措施。何明等[10]提出教學(xué)改革要從意識、思維方法與能力3個方面培養(yǎng)學(xué)員計算思維能力。馬憲敏[11]提出基于分層理念的計算機課程改革方案，課程內(nèi)容應(yīng)重點突出計算思維能力訓(xùn)練。戴振華等[12]在計算思維理論指導(dǎo)下，從課程教學(xué)目標制定、教學(xué)內(nèi)容分配、教學(xué)組織實施等方面進行了改革探索。

（4）基于計算思維的教學(xué)模式研究。

涉及的關(guān)鍵詞有教學(xué)模式、實踐、實驗教育、程序設(shè)計與教學(xué)方法等。其將理論與實踐相結(jié)合，探討教育實踐。教學(xué)模式是圍繞特定教學(xué)目標而形成的具有相對穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的理論化教學(xué)模型或范式，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者計算思維已成為計算機教育的目標之一。李輝等[13]構(gòu)建了基于計算思維的大學(xué)計算機基礎(chǔ)“任務(wù)驅(qū)動式”教學(xué)模式，以培養(yǎng)學(xué)生綜合思維與職業(yè)能力。楊文正等[14]構(gòu)建了以計算思維為導(dǎo)向的混合教學(xué)模式，提出多元混合教學(xué)思路，并以“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”課程為例，提出多元混合教學(xué)應(yīng)用建議。韓秋楓[15]提出了基于計算思維的探究式教學(xué)模式。

2.5研究趨勢分析

為了準確把握我國計算思維未來研究趨勢，根據(jù)上述熱點，進行試探性討論。需要指出的是：趨勢只代表著一種可能，它與事實之間還有一定距離。

（1）計算思維培養(yǎng)體系研究。

把握國關(guān)于計算思維培養(yǎng)的研究主要涉及大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程與高中信息技術(shù)課程。但是普通高中信息技術(shù)課程教學(xué)主要是培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)，中學(xué)與大學(xué)的培養(yǎng)是沒有聯(lián)系的，是分散的，這些都不利于學(xué)生計算思維的培養(yǎng)。加快面向計算思維的教學(xué)改革步伐，把計算思維的培養(yǎng)作為高中信息技術(shù)課程與大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的核心學(xué)科素養(yǎng)。同時加強各學(xué)段各年級計算機科學(xué)教育間的連貫性，明確規(guī)劃從小學(xué)到高中到大學(xué)每一階段學(xué)生應(yīng)達到的目標。只有各學(xué)段各年級統(tǒng)一規(guī)劃、聯(lián)合培養(yǎng)，才能使學(xué)生的計算思維能力與知識技能水平逐步提升。

（2）計算思維培養(yǎng)途徑研究。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)與人工智能越來越普及，社會越來越重視人才的計算思維能力。僅依靠中學(xué)信息技術(shù)課程與大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程培養(yǎng)大學(xué)生的計算思維能力是不夠的，有必要加強計算機思維的跨學(xué)科教育。在生命科學(xué)、自然科學(xué)、社會學(xué)科等眾多領(lǐng)域都應(yīng)該開展計算思維培養(yǎng)，但目前很多研究都只針對計算機基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域，有一定的局限性。然而，各不同學(xué)科思維習(xí)慣不同，如何在跨學(xué)科的課堂中進行計算思維培養(yǎng)，并將計算思維的培養(yǎng)與學(xué)科性質(zhì)及教學(xué)目標相結(jié)合也有待研究。

（3）計算思維評價體系與實證研究。

從現(xiàn)有國內(nèi)外文獻來看，有很多關(guān)于計算思維概念的界定及教學(xué)實踐研究，但如何更有效地培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，如何評價學(xué)生的計算思維能力仍顯不足。隨著計算思維研究的進一步深入，未來必然要建立計算思維評價體系，并進行實證研究，探討計算思維的培養(yǎng)效果以及對學(xué)生發(fā)展的影響。

（4）以計算思維促進創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究。

創(chuàng)新是時代的主題，創(chuàng)新能力是推動人類進步的重要力量。近幾年隨著人工智能技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展，社會大環(huán)境變得越來越智能化。每個人都應(yīng)該對這些新技術(shù)背后的思維方式有所理解，每個國家都應(yīng)該有掌握這些技術(shù)的創(chuàng)新性人才，才能保證國家競爭力。計算思維是創(chuàng)新性人才必備的能力，掌握計算思維能力的作用與意義越來越突出。

3結(jié)語

計算思維是新形勢下創(chuàng)新性人才必備的關(guān)鍵能力，是推動我國計算機領(lǐng)域及人工智能領(lǐng)域發(fā)展的重要力量。本文以中國期刊網(wǎng)全文數(shù)據(jù)庫為文獻來源，以關(guān)鍵詞為“計算思維”的核心期刊文獻為樣本，采用可視化研究技術(shù)揭示當前我國計算思維研究的熱點，以內(nèi)容分析法預(yù)測計算思維未來發(fā)展趨勢。但計算機軟件存在一定的機械性，不能十分準確地辨別與計算思維意義相近的關(guān)鍵詞，數(shù)據(jù)統(tǒng)計難免存在誤差。同時由于自身研究水平有限，研究存在一定的局限。期待有更多的人加入計算思維的研究，讓計算思維在多學(xué)科、多領(lǐng)域、多層面發(fā)揮作用。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：劉亭亭）