知識圖譜在計算思維聚類和多尺度分析中的應(yīng)用及熱點預(yù)測

張賓 高亞斌 孫喜民 周晶

摘 要：采用計算思維來分析熱點知識圖譜的過程，分別開展了定性與定量分析，對計算思維的研究熱點及其未來發(fā)展趨勢開展了深入研究。研究選擇SATI3. 2軟件從樣本文獻中提取得到關(guān)鍵詞，通過整理總共獲得了26個高頻關(guān)鍵詞。按照頻次達到8以上并由高往低排序得到計算思維、計算機教學(xué)、教學(xué)方法、計算機教學(xué)基礎(chǔ)、教學(xué)改革、信息技術(shù)課程、學(xué)生能力、程序設(shè)計。計算思維的知識圖譜通過Euclid距離模型生成，將知識圖譜的計算思維分成了四個不同領(lǐng)域。利用聚類分析和多尺度分析，分析計算思維研究熱點，將計算思維理解成計算機的學(xué)科思維，通過結(jié)合分析實踐與理論過程，各個關(guān)鍵詞與很多不同領(lǐng)域都存在明顯聯(lián)系。

關(guān)鍵詞：知識圖譜; 計算思維; 多尺度分析; 熱點預(yù)測

中圖分類號： TG409

文獻標志碼： A

Abstract：The hotspot knowledge map is analyzed for the computational thinking， and the qualitative and quantitative analyses are carried out， respectively. The research hotspots of computational thinking and its future development trend are studied deeply.

The software SATI 3.2 is selected to extract the keywords from the sample literature， and 26 high-frequency keywords are obtained after collation. The calculation thinking， computer teaching， teaching method， computer teaching foundation， teaching reform， information technology course， student ability and program design can be obtained according to the frequency above 8 with the order from high to low. The knowledge map of computational thinking is generated by Euclidean distance model. Using cluster analysis and multi-scale analysis，

the research focuses of computational thinking are analyzed. With understanding computational thinking as the subject thinking of computers， through combining analysis practice and theoretical process， each key word has obvious connection with many different fields.

Key words：Knowledge map; Computational thinking; Multiscale analysis; Hotspot prediction

0 引言

計算思維的概念最早是由美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的Jeannette M. Wing教授于2006年首次提出，之后國內(nèi)外的眾多學(xué)者對這一概念開展了深入研究。現(xiàn)階段，我國在計算機教育方面也可以引入計算思維的教學(xué)內(nèi)容，并在2010年制定并頒布了《九校聯(lián)合計算機教學(xué)發(fā)展規(guī)劃》的指導(dǎo)文件，要求注重培養(yǎng)學(xué)生的“計算思維”能力，以此作為計算機基礎(chǔ)教學(xué)的重點目標[1-3]。之后，我國教育部高教司又于2012年審批同意了建立在計算思維基礎(chǔ)上的大學(xué)計算機課程內(nèi)容調(diào)整方案[4-5]。到2016年時，高中信息技術(shù)課程的教學(xué)標準獲得了進一步修訂，明確提出要在信息技術(shù)教學(xué)過程中把計算思維置于一個核心素養(yǎng)的地位[6-7]。這也因此使得計算思維的培養(yǎng)成為了所有教育階段需要重點關(guān)注的內(nèi)容[8-10]。本文主要探討了采用計算思維來分析熱點知識圖譜的過程，同時分別開展了定性與定量分析，對計算思維的研究熱點及其未來發(fā)展趨勢開展了深入研究。可以將本文研究結(jié)果作為分析計算思維內(nèi)涵的重點內(nèi)容，也為后續(xù)計算思維的進一步發(fā)展提供了極大支持。

1 研究方案設(shè)計

1.1 選擇樣本數(shù)據(jù)

本文研究的文獻資料都來自中國期刊網(wǎng)數(shù)據(jù)庫（CVKI），并從中文核心期刊和CSSCI期刊中選擇與本文研究內(nèi)容相關(guān)的文獻。選擇“計算思維”作為檢索的關(guān)鍵詞，總共檢索出280篇文獻，將非關(guān)聯(lián)文獻去除之后，最終得到236篇有用文獻。

1.2 數(shù)據(jù)分析及工具選擇

本文所使用的數(shù)據(jù)分析方法包括共現(xiàn)分析、計量分析、多尺度分析等，同時生成了可視化的知識圖譜，充分體現(xiàn)了計算思維的重點內(nèi)涵及其未來發(fā)展趨勢。對數(shù)據(jù)進行分析的工具包括統(tǒng)計文獻題錄信息的工具SATI3.2和SPSS 20.0，具體研究過程由數(shù)據(jù)采集、共詞分析、構(gòu)建知識圖譜共三個階段共同組成，上述各個階段的具體處理過程，如圖1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 高頻關(guān)鍵詞分析

本文選擇SATI3. 2軟件從樣本文獻中提取得到關(guān)鍵詞，把詞頻次數(shù)達到3以上的關(guān)鍵詞設(shè)定為高頻關(guān)鍵詞，通過整理總共獲得了26個高頻關(guān)鍵詞，這些高頻關(guān)鍵具有31.04%的出現(xiàn)頻率，符合知識圖譜的標準要求。看到關(guān)鍵詞的實際情況，如表1所示。

關(guān)鍵詞對文章內(nèi)容發(fā)揮著標簽的作用，能夠充分體現(xiàn)出文章的核心內(nèi)容，所以可根據(jù)高頻關(guān)鍵詞來分析某個特定研究領(lǐng)域的熱點內(nèi)容。通過分析表1結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，按照頻次達到8以上并由高往低排序得到計算思維、計算機教學(xué)、教學(xué)方法、計算機教學(xué)基礎(chǔ)、教學(xué)改革、信息技術(shù)課程、學(xué)生能力、程序設(shè)計。以上高頻關(guān)鍵詞與計算機教學(xué)、教學(xué)改革、信息課程存在緊密關(guān)聯(lián)，從而可以推斷當(dāng)計算思維被提出之后，有效促進了大學(xué)計算機的教學(xué)制度改革、學(xué)生能力培養(yǎng)、信息課程改革等。總體而言，計算思維對于當(dāng)前的大學(xué)計算機教學(xué)發(fā)揮了非常重要的作用。

2.2 高頻關(guān)鍵詞的聚類分析

采用聚類分析方法處理關(guān)鍵詞時指的是指存在緊密關(guān)聯(lián)性的關(guān)鍵詞聚集到一起，共同組合為類團，并確保同一類團中的關(guān)鍵詞具有很高的相似性，而不同類團之間的相似性達到最低。采用SPSS20. 0對STAI生成的高頻關(guān)鍵詞矩陣實施聚類處理，可以看到對高頻關(guān)鍵詞進行聚類所得的結(jié)果，如圖2和表2所示。

2.3 多尺度分析

采用多尺度分析方法時，需要對多維空間中的研究對象進行簡化處理使其轉(zhuǎn)換值低維空間中再對其實施定位、分析和歸類處理，并可以保留不同研究對象之間的原始關(guān)系。利用SPSS 22. 0軟件進行多尺度分析，計算思維的知識圖譜通過Euclidean距離模型生成。本文將知識圖譜的計算思維分成了4個不同領(lǐng)域，如圖3所示。

2.4 研究熱點分析

利用聚類分析和多尺度分析，可以把當(dāng)前國內(nèi)的計算思維研究內(nèi)容分成如下幾部分內(nèi)容：

（1）計算思維理論分析。與計算思維相類似的關(guān)鍵詞包括大學(xué)計算機、計算學(xué)科、基礎(chǔ)教學(xué)、教學(xué)改革等。上述各個關(guān)鍵詞和計算機學(xué)科之間都存在較大聯(lián)系，可以將計算思維理解成計算機的學(xué)科思維，這也是區(qū)分計算機學(xué)科和其它學(xué)科的一項重要參考依據(jù)，對于計算機專業(yè)的人員來說必須掌握較強的計算思維能力。通過合理運用學(xué)科思維的分析方法來促進學(xué)科的全面發(fā)展。其中，初期研究計算思維的過程中，主要是對計算思維的內(nèi)涵、分析方法與特征進行分析。目前獲得大多數(shù)學(xué)者認可的計算思維是由Jeannette Wing教授最早提出的，他把計算思維定義成是采用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念來求解問題、設(shè)計流程結(jié)構(gòu)并對人類的行為進行模仿與理解的過程，屬于一種與計算機科學(xué)存在緊密相關(guān)的思維活動。國內(nèi)也有許多學(xué)者在上述分析基礎(chǔ)上進一步完善的計算思維的具體定義。比如，董榮勝通過分析Jeannette Wing教授提出的“基礎(chǔ)概念”認為可以將其更改更合適的“思想與方法”，主要根據(jù)計算機方法論來定義計算思維集。此外，也有部分學(xué)者認為周以真教授關(guān)于計算思維方面的研究觀點存在一定的局限性，未對其開展有效的科學(xué)論證。現(xiàn)階段，不同學(xué)者對于計算思維的理解還未形成統(tǒng)一意見，因此還需要對計算思維的理論進一步開展深入探討。

（2）計算思維和學(xué)科課程的關(guān)聯(lián)性。此類關(guān)鍵詞包括計算機課程、軟件工程、信息技術(shù)、計算機教學(xué)、信息課程等。各個關(guān)鍵詞與很多不同領(lǐng)域都存在明顯聯(lián)系，這也使計算思維成為一種基礎(chǔ)思維方法被應(yīng)用于許多學(xué)科領(lǐng)域中。當(dāng)前關(guān)于這方面的研究基本都集中于大學(xué)計算機的基礎(chǔ)課程和高中階段的信息課程教育方面，其中，大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程將計算思維作為計算機學(xué)科教育的重要內(nèi)容。戰(zhàn)德臣等重點研究了當(dāng)前計算機教育方面所面臨的各類危機，并給出了合理的改善方案。信息技術(shù)課程正處于新一輪改革中，在高中教學(xué)階段也對計算思維開展了激烈討論。其中，張學(xué)軍等運用了眾多的案例對高中信息教育課程進行了計算思維分析，深入探討了不同模塊包含的計算思維特征，確保計算思維的教學(xué)過程能夠順利開展。任友群等全面論證了采用計算思維開展中小學(xué)信息教育的可行性。

（3）以計算思維為基礎(chǔ)的教學(xué)模式分析。此類關(guān)鍵詞包括教學(xué)模式、實驗教育、實踐、程序設(shè)計等。通過結(jié)合分析實踐與理論過程，對教育實踐開展深入研究。教學(xué)模式通常是指根據(jù)設(shè)定的教學(xué)目標而采取結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的理論化模型，在對學(xué)生開展計算機教育時需要注重培養(yǎng)個人的計算思維。李輝等建立了以計算思維為基礎(chǔ)的“任務(wù)驅(qū)動型”計算機教學(xué)模式，從而更好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合思維能力及其職業(yè)素養(yǎng)。楊文正等將培養(yǎng)計算思維作為混合教學(xué)的主導(dǎo)方向，并在此基礎(chǔ)上提出了多元混合的教學(xué)方式。本文選擇“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”課程作為研究對象，提出了多元混合形式的教學(xué)應(yīng)用建議。韓秋楓在開展探究式教學(xué)的過程中也引入了計算思維作為引導(dǎo)依據(jù)。

3 總結(jié)

1）本文選擇SATI3. 2軟件從樣本文獻中提取得到關(guān)鍵詞，把詞頻次數(shù)達到3以上的關(guān)鍵詞設(shè)定為高頻關(guān)鍵詞，通過整理總共獲得了26個高頻關(guān)鍵詞。按照頻次達到8以上并由高往低排序得到計算思維、計算機教學(xué)、教學(xué)方法、計算機教學(xué)基礎(chǔ)、教學(xué)改革、信息技術(shù)課程、學(xué)生能力、程序設(shè)計。計算思維的知識圖譜通過Euclidean距離模型生成，將知識圖譜的計算思維分成了四個不同領(lǐng)域。

2）利用聚類分析和多尺度分析，分析計算思維研究熱點：將計算思維理解成計算機的學(xué)科思維，各個關(guān)鍵詞與很多不同領(lǐng)域都存在明顯聯(lián)系，通過結(jié)合分析實踐與理論過程，這是三個方面對促進計算機專業(yè)的人員來掌握較強的計算思維能力具有重要的作用。

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（收稿日期： 2019.01.24）