基于Citespace的國內計算思維研究綜述

蔡榮華 賀璇 高蓉 吳明霜

摘 ?要 ?采用Citespace，采集CNKI中核心期刊計算思維相關文獻數據，繪制國內計算思維知識圖譜，通過文獻計量法和可視化分析法對文獻進行分析，從研究現狀、研究熱點與前沿、研究內容三個方面，對國內計算思維研究進行分析。同時，給出進一步的研究結論與思考，以期為國內計算思維研究提供參考。

關鍵詞 ?計算思維；研究熱點；Citespace

中圖分類號：G40-013 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）05-0012-07

0 ?引言

2006年，美國卡內基·梅隆大學周以真教授[1]對計算思維定義進行界定，認為計算思維（Comput-ing Thinking）是通過利用計算機科學的基本概念來解決問題、設計系統和理解人類行為。她提出應該將計算思維這種新能力添加到每個孩子的分析能力中[1]。隨后，計算思維在越來越多研究者、教育工作者還有決策者的推動下，得到國內外廣泛關注，并公認計算思維是21世紀必備技能。國內關于計算思維的研究已有十余年，近幾年國內計算思維研究發展迅速，新時代背景下計算思維研究取得哪些進展。本文結合可視化分析軟件Citespace5.8.R1版本，對我國2006—2021年的計算思維研究文章進行相關綜述。

1 ?研究設計

本研究主要聚焦于我國計算思維研究現狀、研究熱點與前沿、研究內容三個方面。借助可視化軟件Citespace，繪制國內計算思維的知識圖譜，通過文獻計量法和可視化分析法對檢索篩選后的文章進行分析，從而對國內計算思維研究進行詳細梳理和闡述。

1.1 ?數據來源

本研究主要是對國內計算思維相關文獻進行梳理，將CNKI學術期刊全文數據庫作為數據來源，選擇“高級檢索”，來源為核心期刊，檢索主題為“計算思維”，時間范圍為2006年1月1日至2021年7月31日，共檢索出426篇相關文獻。通過人工篩選，剔除相關性不強、年會綜述、無關鍵詞等無關文章，最終得到有效文獻375篇。

1.2 ?研究步驟

本研究采用的工具是由美國德雷塞爾大學陳超美教授研發的文獻分析軟件Citespace5.8.R1版本。在軟件中設置時間跨度為2006—2021年，時間切片為1年，分別按照Author、keyword等不同節點類型進行統計分析。本研究主要采用文獻計量法和可視化分析法。文獻計量法用于統計國內計算思維發文時間、年度發文量及作者發文量，分析國內計算思維研究現狀；可視化分析法用于分析通過軟件生成的作者共現圖譜、關鍵詞共現圖譜、關鍵詞聚類圖譜及突現詞時序圖譜，總結國內學者合作情況以及計算思維熱點、前沿與研究內容。

2 ?研究結果

2.1 ?計算思維的研究現狀分析

2.1.1 ?研究文獻的發布年度趨勢分析

研究文獻的發布時間與發文量可知研究領域在特定的時間內論文的產出數量，這是衡量該領域研究熱度的重要指標。本文統計了2006—2021年計算思維各年份發表的文獻量，如圖1所示。國內第一篇計算思維文章發表于2009年，是董榮勝的《計算思維與計算機方法論》。2010—2014年和2017—2019年兩個時間段上升梯度較大。2010年《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》發表，把計算思維能力培養作為計算機基礎教育的核心任務；2017年教育部制定了《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》，將計算思維納入高中信息技術學科核心素養。

2.1.2 ?研究文獻的發文學術團體分析

作者是領域研究的主體，學科研究的核心作者是推動該研究領域發展的重要動力，能夠帶動學科的發展與方向引領，形成重要的學術團體。軟件所得作者共現圖譜如圖2所示。李鋒是高產作者，發文9篇。牟琴和譚良在2010年、2011年合作發文4篇，韓秋楓、李瑛等作者在2014年合作發文3篇，唐培和、唐新來和徐奕奕形成了三角關系，在2016年合作發文2篇，李鋒和任友群在2018年之前合作發文3篇。以任友群為中心的華東師范大學學術團體比較明顯。以上作者合作均屬于同機構合作，且多為師生或同事關系，跨校合作很少。

2.2 ?計算思維的研究熱點與前沿分析

摘要是文章內容的概括，關鍵詞作為摘要的提煉，也是文章中心思想的體現。分析文獻關鍵詞能夠幫助探究國內計算思維研究熱點與前沿。下面通過軟件得出的關鍵詞頻次及中心性表、關鍵詞突現強度表和突現詞時序圖譜來對計算思維的研究熱點與前沿進行分析。

2.2.1 ?研究熱點分析

關鍵詞頻次代表研究的頻繁程度，中心性代表它作為連接其他關鍵詞之間的重要程度。關鍵詞頻次越高中心性越大，代表它是所研究領域的研究熱點。所得頻次及中心性表如表1所示。

除研究主題計算思維外，高頻關鍵詞包括人工智能、教學改革、信息技術、大學計算機基礎。此外，編程教育、核心素養、K-12、STEM、人工智能教育、計算思維評價等是近幾年出現且具有一定頻次中心性。大學計算機基礎教學把“計算思維能力培養”作為核心任務，如何改革教學現狀及問題成為國內計算思維的研究熱點[2]。中小學如何加強學生信息技術學科核心素養培育也備受關注。智能時代推動我國人工智能教育發展的一個重要方面，就是以培養學生計算思維等智能素養來促進人工智能思維培育。此背景下，K-12階段成為計算思維培養的主要抓手[3]，編程教育作為一種培養手段也日益受到重視[4]。而STEM課程擅長以問題導向來解決問題，也是計算思維的重要培養基[5]。培養問題突出的同時，計算思維評價這一教學環節也不可忽略。

2.2.2 ?研究前沿分析

突現詞能準確反映某個領域的研究前沿，適合探測某個新興領域的趨勢和突然變化。Citespace生成的關鍵詞突現強度表如圖3所示。按照突現年份排序，分別是：計算機基礎教學（2010—2014年）、大學計算機（2011—2015年）、大學計算機基礎（2012—2015年）、教學改革（2014—2016年）、核心素養（2017—2018年）、人工智能（2018—2021年）、編程教育（2018—2021年），其中人工智能（7.27）強度遠高于其他突現詞。這些都分別說明了不同時間段的研究前沿，目前國內計算思維研究前沿主要體現在人工智能以及編程教育。

根據突現詞時序圖譜，如圖4所示，可以分析國內計算思維研究前沿的演進過程。本研究將國內計算思維的發展脈絡大致劃分為三個階段。

第一階段是起步期（2010—2014年）。這一階段主要涉及計算機基礎教學、大學計算機、大學計算機基礎，是該階段的研究前沿。2010年發布的《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》把計算思維能力培養作為計算機基礎教學的核心任務。國內學者對計算思維培養方式、大學計算機課程內容及學生對計算思維的需求等方面進行探究。

第二階段是發展初期（2014—2016年）。這一階段主要涉及教學改革、MOOC、翻轉課堂。國內學者經過探索發現，現有大學計算機課程體系難以著力于計算思維培養，需要根據計算思維要素來對課程進行改革。并采用慕課、翻轉課堂等教學方式在大學計算機課程中培養實踐[6]。

第三階段是發展期（2016—2021年）。這一階段聚焦于核心素養、人工智能及編程教育。新課改背景下，計算思維成為信息技術學科核心素養培養的著力點。計算思維是人工智能時代需要關注的智能素養[7]，利用編程教育可以促進學生對計算思維的領悟[4]。

2.3 ?聚類分析

關鍵詞共現基礎上進行聚類分析，能夠更好地整理和歸納國內計算思維的研究內容。聚類效果通過參數Q值和S值來衡量，Q＞0.3且S＞0.7時，聚類結果是具有參考價值的[8]。本研究聚類分析所得Q=0.87，S=0.98，共得到18個聚類如圖5所示。并將聚類劃分為以下五大類。

2.3.1 ?面向計算思維能力培養的課程體系——6個聚類

#0信息技術課程聚類特征詞有信息技術、核心素養及編程教育。#2信息技術聚類特征詞有編程教育、課程標準等。這兩個聚類都圍繞著信息技術課堂中計算思維能力培養。計算思維是信息技術學科核心素養之一，張進寶[9]提出信息技術課堂應當將促進計算思維和培養編程能力作為課程的核心目標。孫丹[10]認為需要開發相對規范的編程教育課程標準。

#3大學計算機聚類特征詞有翻轉課堂、SPOC等。#7計算機基礎教學聚類特征詞有分級教學模式、應用能力等。這兩個都是圍繞在大學計算機課程中進行計算思維培養的教學改革探究。九校聯盟提出將計算思維培養作為計算機基礎教學的核心，戰德臣[11]提出在計算機課程中基于MOOC/SPOC等方式促進學生計算思維能力培養。何嘯峰[12]認為應該在評價機制、資源建設、師資培訓等方面來進行計算機基礎教學改革。

#8程序設計聚類特征詞有輕游戲、課程教學等。程序設計作為中高職和大學中的編程類課程，研究者以計算思維能力培養為切入點來進行程序設計課程教學改革。牟琴[13]將“輕游戲”教學方式引入程序設計課程教學中，來探究其對計算思維能力培養的影響。姚天昉[14]在程序設計課程中融入計算思維，對課程內容及實踐環節進行改革和實踐。

#13 STEM聚類特征詞有4c人才、科學教育等。STEM課程具有跨學科特性和問題解決導向，是培養學生計算思維的重要載體。陳鵬[15]認為STEM教育是培養4c人才的有效途徑，除了信息技術課程，也應強調利用STEM培養計算思維。張屹[5]提出在STEM課程中通過基于設計的學習來促進小學生計算思維培養。

2.3.2 ?驅動計算思維培養的因素——2個聚類

#1人工智能聚類特征詞有計算學科、APP inventor等。董榮勝[16]認為計算思維培養可以通過計算學科得到更大的提升。郁曉華[17]在信息技術課堂當中利用APP Inventor進行計算思維培養實踐研究。陳凱泉[18]認為人工智能教育在中小學教育階段的發展要指向學生編程能力和計算思維能力培養。

#5教學改革聚類特征詞有計算機基礎課程、《大學計算機基礎》等。王移芝[19]提出了面向計算思維的計算機基礎課程教學改革思路并進行實踐探索。呂潔[2]認為《大學計算機基礎》課程是高校非計算機專業學生培養計算思維的主要途徑。各類高等院校都在積極探索面向計算思維培養的教學改革，多數從《大學計算機基礎》及編程課程進行探究。

2.3.3 ?計算思維能力培養對教育領域的價值——6個聚類

#6核心素養、#9信息素養、#11創新思維、#12人才培養、#15科學思維和#16思維能力這幾個聚類都是在教育領域中進行計算思維培養的價值。陳杰華[20]認為計算思維的教育價值體現在問題求解、創新思維和形式化描述三個方面。同時，計算思維作為三大科學思維方式之一，能將各種科學的思維進行整合，訓練學生分析和解決問題的思維能力。王羅那[7]認為計算思維不僅是信息技術學科核心素養，更是整個智能時代的核心素養。

2.3.4 ?計算思維的國際視野——1個聚類

#4 K-12聚類特征詞有國際視野、計算思維核心知識等。邱美玲等學者[21]分析美國的K-12計算機科學框架、教育者標準以及計算機科學課程標準，提出我國信息技術教育的努力方向。郁曉華等學

者[3]從計算思維培養角度對計算思維概念、培養、測評等核心知識進行探究。

2.3.5 ?培養計算思維能力的指導方法——3個聚類

#10建構主義聚類特征詞有拋錨式教學方法、支架式教學方法等。劉瑜[22]在建構主義理論的指導下，采用拋錨式教學方法，培養計算思維能力。#19思維框架和#21案例教學也是面向計算思維，李雁翎[23]在數據庫教學中提出基于計算思維培養的課程思維框架，田緒紅[24]設計具有農業專業特色的教學案例，開展基于案例的計算思維教學思路。

3 ?研究結論與思考

3.1 ?研究結論

本文通過對國內計算思維研究現狀、研究熱點與前沿、研究內容進行分析，得出以下結論。

從研究現狀來看：首先，國內計算思維文獻量呈不斷上升趨勢，2010年研究投向大學計算機基礎教學改革，2017年研究擴向中小學階段的計算思維培養問題。其次，國內計算思維學術團體以高校內部或研究機構內部合作為主，一般是同事或師生關系，跨高校跨領域合作較少，并且一些學術合作團體近幾年發文量有所下降。未來需要加強跨機構合作，鼓勵學者合作聯系。

從研究熱點與前沿來看：研究熱點方面，國內主要圍繞教學改革和人工智能進行探索實踐。教學改革包括基礎教育階段和高等教育階段。高等教育階段圍繞計算機基礎教學進行改革，從大學計算機基礎課程到程序設計等編程類課程改革；基礎教育階段主要在信息技術課程中，形式較多采用編程教育進行計算思維培養，內容集中在探究不同教育階段的編程方式。其次研究前沿方面，包括人工智能、編程教育和核心素養。

從研究內容來看：根據聚類將國內計算思維研究分為五類：1）研究重心放在面向計算思維培養的課程體系中，主要圍繞信息技術課程和計算機基礎課程進行；2）分析驅動計算思維培養因素，智能時代人才需求，已有課程結構與模式很難形成計算思維培養環境，需要進行教學改革；3）就計算思維培養對教育領域價值進行探究，計算思維作為學科和時代核心素養，能幫助培養智能人才所需的信息素養、創新思維和科學思維能力；4）從計算思維培養的國際視野來看，國內學者探究國外計算思維培養案例及政策，以期為我國計算思維培養提供借鑒；5）關于計算思維教學的指導方法，學者們探索在建構主義指導下采用拋錨式教學方法等手段來進行計算思維培養。

3.2 ?思考

雖然國內計算思維研究發展十余年且研究熱度不斷高升，但理論和實踐仍處于發展探索階段。本研究對國內計算思維研究現狀、熱點與前沿、研究內容進行分析的同時，也進行一些思考。

擴大計算思維教育階段的范圍和教育對象類型。國內計算思維研究先在高等教育階段探索，后逐漸步入中高職、中小學階段。計算思維作為人工智能時代素養之一，有必要關注如何在啟蒙階段融入計算思維。國內培養研究對象基本面向大中小學生。雖然學習者課程培養是重點，但也不能忽略教育者的計算思維能力培訓。如果教育者都不具備用計算思維來解決問題的能力，那么如何能培養學習者的計算思維能力。未來應多關注教師以及師范生的計算思維素養培訓。

拓寬計算思維培養的教學形式及教學內容。雖然國內重心放在教育形式及教學內容改革上，但教育形式主要圍繞編程教育展開，未來需拓寬研究思路，探索利用不同手段培養學生計算思維能力。教育內容方面，大學比較集中在大學計算機、程序設計等計算機相關課程，中小學主要集中在信息技術課堂，少數在數學、化學等課堂進行教學研究。未來需多關注跨學科計算思維培養問題，關注STEM領域中的計算思維培養。探索適合啟蒙階段計算思維的教學形式及內容。挖掘人工智能特點，探究現代技術支持下的計算思維培養形式及內容。

挖掘計算思維測評的深度。國內計算思維研究主要關注教育內容設計與活動實施，對計算思維評價研究還不夠重視。未來需探索計算思維能力測試平臺以及評價量表開發；多進行本土化評價效果研究；擴大評價對象的覆蓋面，不只針對普通大中小學生，還要面向學前兒童、職前教師及教師進行

探究。

4 ?參考文獻

[1] Wing JM. Computational thinking[J].Communications

of the ACM，2006（3）：33-35.

[2] 呂潔，李瑛，杜晶.以計算思維為導向的大學計算機基

礎課程改革的實踐與探索[J].計算機工程與科學，2019，

41（S1）：1-5.

[3] 郁曉華，王美玲.計算思維培養之路還有多遠？：基于計

算思維測評視角[J].開放教育研究，2020，26（1）：60-71.

[4] 姜強，王利思，趙蔚，等.認知水平與計算思維間的隱

含關系挖掘：基于編程行為表征視角[J].現代遠程教育

研究，2020，32（2）：94-103.

[5] 張屹，王玨，張莉，等.STEM課程中DBL教學培養小學

生計算思維的研究[J].電化教育研究，2020，41（5）：81-

88.

[6] 郝興偉，張強.翻轉課堂教學：經驗與趨勢[J].中國大

學教學，2015（10）：65-67，48.

[7] 王羅那，王建磐.人工智能時代需要關注的新素養：計

算思維[J].比較教育研究，2021，43（3）：24-30，38.

[8] 李杰，陳超美.CiteSpace科技文本挖掘及可視化[M].

北京：首都經濟貿易大學出版社，2016：149-151.

[9] 張進寶，姬凌巖.中小學信息技術教育定位的嬗變[J].

電化教育研究，2018，39（5）：108-114.

[10] 孫丹，李艷.我國青少年編程教育課程標準探討[J].

開放教育研究，2019，25（5）：99-109.

[11] 戰德臣，聶蘭順，張麗杰，等.大學計算機課程基于

MOOC+SPOCs的教學改革實踐[J].中國大學教學，

2015（8）：29-33.

[12] 何嘯峰，李海燕，鹿江春.計算機基礎教學中計算思

維能力培養研究[J].實驗技術與管理，2018，35（9）：

214-217.

[13] 牟琴.“輕游戲”對計算思維能力的培養：教育游戲對

程序設計基礎課程教學的影響[J].遠程教育雜志，

2011，29（6）：94-101.

[14] 姚天昉.在程序設計課程中引入“計算思維”的實踐

[J].中國大學教學，2012（2）：61-62，76.

[15] 陳鵬，田陽，劉文龍.北極星計劃：以STEM教育為核

心的全球創新人才培養：《制定成功路線：美國STEM

教育戰略》（2019—2023）解析[J].遠程教育雜志，2019，

37（2）：3-14.

[16] 董榮勝，古天龍.計算思維與計算機方法論[J].計算

機科學，2009，36（1）：1-4，42.

[17] 郁曉華，肖敏，王美玲，等.基于可視化編程的計算思

維培養模式研究：兼論信息技術課堂中計算思維的培養

[J].遠程教育雜志，2017，35（6）：12-20.

[18] 陳凱泉，何瑤，仲國強.人工智能視域下的信息素養內

涵轉型及AI教育目標定位：兼論基礎教育階段AI課程

與教學實施路徑[J].遠程教育雜志，2018，36（1）：61-

71.

[19] 王移芝，魯凌云，周圍.以計算思維為航標拓展計算機

基礎課程改革的新思路[J].中國大學教學，2012（6）：

39-41.

[20] 陳杰華，戴麗娟.以培養計算思維為核心的程序設計實

驗教學[J].實驗技術與管理，2011，28（1）：125-127.

[21] 邱美玲，李海霞，羅丹，等.美國《K-12計算機科學

框架》對我國信息技術教學的啟示[J].現代教育技術，

2018，28（4）：41-47.

[22] 劉瑜，李瑛，韓秋楓.建構主義理論在培養學生計算思

維中的應用研究[J].計算機工程與科學，2014，36（S1）：

241-243.

[23] 李雁翎，李鵬誼.知識的內化：計算思維的培養與數據

庫教學[J].中國大學教學，2013（7）：33-35，30.

[24] 田緒紅，林丕源，肖磊，等.淺談高等農業院校計算思

維教育[J].實驗室研究與探索，2014，33（7）：176-179.