我國程序設(shè)計教學(xué)的知識圖譜分析

摘" 要：為探索我國程序設(shè)計教學(xué)改革的特征和演進脈絡(luò)，該文采用知識可視化的文獻計量方法，對我國1999年至2023年的程序設(shè)計教學(xué)的文獻進行分析。研究結(jié)果為，程序設(shè)計教學(xué)研究呈現(xiàn)三大特征包括新工科重塑程序設(shè)計教學(xué)理念、在線課程平臺重構(gòu)程序設(shè)計教學(xué)模式和人工智能驅(qū)動程序設(shè)計學(xué)習(xí)變革。通過關(guān)鍵詞時間圖譜得出研究結(jié)論，我國程序設(shè)計教學(xué)研究與教育部的政策導(dǎo)向及時代環(huán)境存在緊密聯(lián)系；我國程序設(shè)計教學(xué)研究的演進可以歸納為早期萌芽、穩(wěn)步增長和深化發(fā)展三個不同階段。

關(guān)鍵詞：程序設(shè)計；知識圖譜；教學(xué)改革；人工智能；數(shù)字化

中圖分類號：G640" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2025）09-0085-04

Abstract： In order to explore the characteristics and evolution of programming teaching reform in China， the paper adopts the bibliometric method of knowledge visualization to analyze the literature on programming teaching in China from 1999 to 2023. The research results show that programming teaching research presents three major characteristics， including the reshaping of programming teaching concepts by the new engineering， the reconstruction of programming teaching modes by online course platforms， and the transformation of programming learning driven by artificial intelligence. The research conclusion drawn from the keyword time graph is that： there is a close connection between the research on programming teaching in China and the policy orientation and era environment of the Ministry of Education; The evolution of programming teaching research in China can be summarized into three different stages： early germination， steady growth， and deepening development.

Keywords： programming design; knowledge graph; reform in education; artificial intelligence; digitization

程序設(shè)計能力是大學(xué)生必須掌握的一項數(shù)字化技能，程序設(shè)計課程是高等學(xué)校一門重要的公共基礎(chǔ)課程，其重要性不言而喻。因此，本研究選擇國內(nèi)公認(rèn)的、具有權(quán)威性的科學(xué)研究水平標(biāo)準(zhǔn)的中國知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫。主題詞設(shè)置為“程序設(shè)計教學(xué)/C教學(xué)/C++教學(xué)/Python教學(xué)/VB教學(xué)”，對北大核心和CSSCI來源的期刊進行高級檢索，研究周期設(shè)置為1999年至2023年，文獻檢索日期為2024年1月15日，檢索出504條樣本。為了拓展樣本數(shù)據(jù)集，以“程序設(shè)計教學(xué)”為主題詞，檢索《計算機教育》期刊，檢索日期為 2024年1月17日，檢索出650條樣本。為確保研究樣本文獻的可靠性與一致性，通過人工篩選方式，剔除與程序設(shè)計教學(xué)主題詞不相關(guān)的文獻，最終確定526篇中文文獻納入研究樣本。本文基于文獻計量學(xué)與可視化分析方法，借助CiteSpace（6.3.R1）軟件，采用知識圖譜技術(shù)對我國程序設(shè)計教育領(lǐng)域的演變軌跡及發(fā)展趨勢進行分析。知識圖譜運用圖形和圖像展示節(jié)點和關(guān)系，將抽象的數(shù)據(jù)進行可視化表達。通過共現(xiàn)、聚類、突現(xiàn)等方式，揭示相關(guān)知識結(jié)構(gòu)、規(guī)律與分布情況，具備直觀性與科學(xué)性[1]。

一" 程序設(shè)計教學(xué)研究的熱點主題

關(guān)鍵詞作為文獻的精髓與集中體現(xiàn)，直接反映了程序設(shè)計教學(xué)研究領(lǐng)域的研究焦點。關(guān)鍵詞共現(xiàn)、關(guān)鍵詞聚類等研究手段，是展示程序設(shè)計教學(xué)研究領(lǐng)域中關(guān)鍵詞之間相互關(guān)聯(lián)性及其核心地位的關(guān)鍵研究途徑。這些方法有助于明確研究重點，剖析程序設(shè)計教學(xué)研究的本質(zhì)屬性。

（一）" 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜分析

以“關(guān)鍵詞”作為程序設(shè)計教學(xué)圖譜分析的節(jié)點，時間切片跨度設(shè)置為1年，運用 g-index算法，將閾值k設(shè)置為25，繪制出程序設(shè)計教學(xué)研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜，如圖1所示。在程序設(shè)計教學(xué)研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜中，共計380個節(jié)點和728條連線，節(jié)點的字體大小代表關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻率高低，而節(jié)點間的連線則反映了各關(guān)鍵詞之間的相互關(guān)聯(lián)程度。本文對關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次進行重新梳理：程序設(shè)計（98次）、教學(xué)改革（95次）、C語言（45次）、教學(xué)方法（44次）、實驗教學(xué)（35次）、教學(xué)模式（30次）、計算思維（26次）和翻轉(zhuǎn)課堂（21次）。為了更精確地描述程序設(shè)計教學(xué)關(guān)鍵詞之間的相互關(guān)系和地位，本研究將程序設(shè)計教學(xué)關(guān)鍵詞共現(xiàn)頻次和中介中心性以表格形式展現(xiàn)，見表 1。

（二）" 關(guān)鍵詞聚類圖譜分析

關(guān)鍵詞聚類的目標(biāo)是通過高頻詞的相似性與差異性進行分析，揭示高頻詞之間的聯(lián)系，以便提煉出程序設(shè)計教學(xué)研究的核心主題。為了呈現(xiàn)主題聚類的分布特征，本研究采用對數(shù)似然率算法（LLR）實施聚類標(biāo)簽提取，進而構(gòu)建程序設(shè)計教學(xué)研究關(guān)鍵詞聚類圖譜，如圖2所示。在研究中，通過對聚類模塊值Q的分析發(fā)現(xiàn)，其值為0.614 7，而聚類平均輪廓值S則達到了0.857 5。這兩個指標(biāo)均高于0.6，表明在程序設(shè)計教學(xué)領(lǐng)域聚類結(jié)構(gòu)顯著、且聚類輪廓清晰，因此聚類可信度較高。聚類編號較低，即排序位置較前，則聚類中所涉及的程序設(shè)計教學(xué)研究的關(guān)鍵詞更為豐富。圖2展示了前11個聚類的類團，具體包括#0教學(xué)改革、#1教學(xué)模式、#2程序設(shè)計、#3教學(xué)、#4在線教學(xué)、#5實驗教學(xué)和#6教學(xué)實踐、#7案例教學(xué)、#8教學(xué)方法、#9實踐教學(xué)和#10 創(chuàng)新能力。依據(jù)圖2的關(guān)鍵詞聚類圖譜，結(jié)合表2的核心標(biāo)簽詞，對程序設(shè)計教學(xué)的研究焦點進行總結(jié)，同時對我國程序設(shè)計教學(xué)研究的主題特性進行剖析。

1" 新工科重塑程序設(shè)計教學(xué)理念

2017 年教育部啟動新工科教育與實踐，以支持“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”“人工智能2.0”等重大國家戰(zhàn)略[2]。為了響應(yīng)新工科教育的核心理念，即“能力產(chǎn)出導(dǎo)向、以學(xué)生為中心和持續(xù)改進”，程序設(shè)計教學(xué)理念逐漸從“重語言輕設(shè)計、重知識輕能力”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸R和能力并重、設(shè)計與實踐并行”。盧愛臣等[3]在計算機程序設(shè)計課程中倡導(dǎo)采用項目式驅(qū)動的工程實踐教學(xué)方法。劉杰等[4]對基于OBE教學(xué)理念的C程序設(shè)計課程教學(xué)改革進行了深入研究。黃繼平等[5]提出，在新工科背景下，以“模糊角色、賦能學(xué)生”為核心的程序設(shè)計課程教學(xué)創(chuàng)新理念。

2" 在線課程平臺重構(gòu)程序設(shè)計教學(xué)模式

持續(xù)迭代的信息技術(shù)在我國得到了廣泛應(yīng)用，程序設(shè)計類課程中出現(xiàn)了慕課、翻轉(zhuǎn)課堂等創(chuàng)新教學(xué)模式。在線課程平臺通過系統(tǒng)化的程序設(shè)計教育，不僅呈現(xiàn)課堂教學(xué)資源，更提供全面的教育服務(wù)。與此同時，在線平臺深度融合程序設(shè)計課堂教學(xué)，使得程序設(shè)計教學(xué)模式從以“教”為核心轉(zhuǎn)變?yōu)榻處熤鲗?dǎo)、學(xué)生主體化的教學(xué)模式，實現(xiàn)了真正的“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念。蘇小紅等[6]在哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究C語言程序設(shè)計課程中實施“MOOC+SPOCs+大班翻轉(zhuǎn)課堂”混合式教學(xué)模式。浙江大學(xué)溫圳等[7]探索元宇宙背景下的 C 語言程序設(shè)計教學(xué)模式，利用“智云課堂”實現(xiàn)了元宇宙中隨時隨地登錄并與現(xiàn)實同步的目標(biāo)。在東南大學(xué)的計算機程序設(shè)計課程中，李駿揚等[8]對線上線下混合式教學(xué)與多層次認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的有機融合教學(xué)模式進行了深入探索。

3" 人工智能驅(qū)動程序設(shè)計學(xué)習(xí)變革

人工智能領(lǐng)域的迅猛進步，從“機器學(xué)習(xí)”到“深度學(xué)習(xí)”的快速發(fā)展，促使程序設(shè)計課程的學(xué)習(xí)變革。采用人工智能技術(shù)，對學(xué)生在程序設(shè)計課程中的學(xué)習(xí)狀況、基礎(chǔ)知識掌握和學(xué)習(xí)水平進行實時監(jiān)測，以實現(xiàn)個性化的分析、決策和評估。在智能分析學(xué)生個性化需求的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對學(xué)生程序設(shè)計學(xué)習(xí)進度的智能調(diào)控，以及智能推動學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容的發(fā)展。王筱竹[9]采用以亞馬遜語音技能工具包（ASK）為代表的人工智能工具，使學(xué)生通過語音對話形式掌握程序設(shè)計知識，提供了一種基于知識圖譜的教育方法。蘇小紅等[10]提出了一種創(chuàng)新的教學(xué)路徑，旨在通過“注重能力培養(yǎng)、個性化教學(xué)、AI技術(shù)輔助以及產(chǎn)學(xué)研結(jié)合”等方面，全面提升學(xué)生的程序設(shè)計技能。譚敏等[11]借助深度學(xué)習(xí)方法，構(gòu)建了一套包含實驗課教學(xué)模型的程序設(shè)計類課程體系，涵蓋學(xué)習(xí)過程監(jiān)控、教學(xué)效果評估以及個性化學(xué)習(xí)內(nèi)容推薦等方面。劉建明等[12]運用多種平臺的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，提出了一種“個性協(xié)同化”的智慧程序設(shè)計實驗教學(xué)模型。

二" 程序設(shè)計教學(xué)研究的演進脈絡(luò)

關(guān)鍵詞時間線以時間為維度，揭示程序設(shè)計教學(xué)研究關(guān)鍵詞的演變軌跡，有助于反映研究主題的演進過程，并呈現(xiàn)出程序設(shè)計教學(xué)研究的發(fā)展脈絡(luò)。為了全面呈現(xiàn)程序設(shè)計教學(xué)研究關(guān)鍵詞分布的時空演變，基于關(guān)鍵詞之間的共現(xiàn)關(guān)系，采用g-index算法對關(guān)鍵詞聚類。依據(jù)關(guān)鍵詞節(jié)點所屬的聚類（縱軸）和時間序列（橫軸），將各節(jié)點映射到相應(yīng)的位置，進而構(gòu)建程序設(shè)計教學(xué)研究關(guān)鍵詞時間線圖譜，如圖3所示。在時間線圖譜中，程序設(shè)計教學(xué)研究關(guān)鍵詞節(jié)點以環(huán)形形式展現(xiàn)，節(jié)點尺寸與關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次成正比，環(huán)形與時間軸年份相對應(yīng)，寬度與當(dāng)年關(guān)鍵詞頻次呈現(xiàn)一致，環(huán)形連線表示各節(jié)點之間的傳承聯(lián)系。通過關(guān)鍵詞時間線圖譜分析，我們發(fā)現(xiàn)：#0教學(xué)改革、#2程序設(shè)計、#3教學(xué)等基礎(chǔ)關(guān)鍵詞在早期誕生，并且頻繁與近年來新出現(xiàn)的關(guān)鍵詞共現(xiàn)，展示了對程序設(shè)計教學(xué)研究的長期影響。研究主題#1教學(xué)模式、#4在線教學(xué)、#5實驗教學(xué)等延續(xù)性最好。#9實踐教學(xué)、#10創(chuàng)新能力逐漸不再有新的關(guān)鍵詞誕生，說明#9和#10的研究主題的熱度呈現(xiàn)明顯的衰退趨勢。具體而言，程序設(shè)計教學(xué)研究主題呈現(xiàn)分為三個階段。

（一）" 早期萌芽階段（1999—2006年）

早期萌芽階段，程序設(shè)計教學(xué)研究成果的數(shù)量相對較少，共有29篇文獻，僅占總發(fā)文量的5.51%。在此階段，我國程序設(shè)計教育研究領(lǐng)域呈現(xiàn)出單一的視角，研究聚焦于“教學(xué)設(shè)計”“教學(xué)方法”和“教學(xué)改革”等議題。

（二）" 穩(wěn)步增長階段（2007—2016年）

穩(wěn)定增長階段，程序設(shè)計教學(xué)研究文獻發(fā)表數(shù)量呈現(xiàn)爆炸式增長，總共達到313篇，占據(jù)了總發(fā)文數(shù)量的 59.51%，研究成果豐碩，研究視角和研究方法日益多樣化。研究主題包括“競賽與教學(xué)結(jié)合”“工程教育”“翻轉(zhuǎn)課堂”“思維導(dǎo)圖”“卓越計劃”“任務(wù)驅(qū)動”以及“交叉融合”等方面。這些主題的廣泛涉及，反映了程序設(shè)計教學(xué)研究的多元化特點。依據(jù)圖3的關(guān)鍵詞時間線分析，可以觀察到程序設(shè)計教學(xué)研究與教育部的政策導(dǎo)向及時代環(huán)境存在緊密聯(lián)系。2010年教育部實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，簡稱“卓越計劃”。張志鋒等[13]對“卓越計劃”在程序設(shè)計課程中的執(zhí)行策略進行了深入研究。在“卓越計劃”背景下，張俊三等[14]針對程序設(shè)計類課程教學(xué)進行了改革措施。2015年教育部出臺《教育部關(guān)于加強高等學(xué)校在線開放課程建設(shè)應(yīng)用與管理的意見》。蘇小紅等[15]針對MOOC背景，提出了C 語言程序設(shè)計混合教學(xué)模式的設(shè)計方案。高春穎等[16]研究了基于網(wǎng)絡(luò)化平臺的C語言程序設(shè)計教學(xué)模式。

（三）" 深化發(fā)展階段（2017—2023年）

在深化發(fā)展階段，程序設(shè)計教學(xué)研究共發(fā)表184篇文獻，占總發(fā)文量的34.98%，表明程序設(shè)計教學(xué)研究逐步趨于穩(wěn)定。2020年教育部印發(fā)的《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》明確指出“要深入梳理專業(yè)課教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合不同課程特點、思維方法和價值理念，深入挖掘課程思政元素”[17]，程序設(shè)計教學(xué)研究逐漸聚焦“課程思政”“思政案例”等關(guān)鍵詞。針對程序設(shè)計類課程教學(xué)現(xiàn)狀及特點，周宇等[18]從價值觀引領(lǐng)、系統(tǒng)思維能力、法律意識、網(wǎng)絡(luò)安全意識的提升及團隊精神的培養(yǎng)五個方面探討了課程思政元素的挖掘。胡珂立等[19]提出一種程序設(shè)計類課程思政資源池的構(gòu)建方法。

三" 結(jié)束語

（一）" 研究結(jié)論

本項研究采用CiteSpace（6.3.R1）軟件對我國1999年至2023年程序設(shè)計教學(xué)領(lǐng)域的526篇學(xué)術(shù)論文進行了定量分析，得到的主要結(jié)論可概況為以下三個方面。

首先，從文獻的作者來分析，程序設(shè)計教學(xué)領(lǐng)域的研究涉及1 156位學(xué)者，其中，丁海燕（6篇）、蘇小紅（5篇）、俞慶英（4篇）、劉莉（4篇）和李瑛（4篇）等學(xué)者發(fā)文量較為突出，顯示出較強的研究實力。

其次，從研究機構(gòu)來看，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、海軍航空工程學(xué)院、云南大學(xué)、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京信息科技大學(xué)和安徽師范大學(xué)等機構(gòu)均發(fā)文4篇以上，對程序設(shè)計教學(xué)研究產(chǎn)生了重要的影響。

最后，依據(jù)出版時間為標(biāo)準(zhǔn)，自1999年至2023年，共有68種期刊發(fā)表了程序設(shè)計教學(xué)研究相關(guān)的論文。在程序設(shè)計教育領(lǐng)域，期刊發(fā)文量較高的研究成果主要集中于《中國大學(xué)教學(xué)》《計算機工程與科學(xué)》《實驗室研究與探索》《實驗技術(shù)與管理》和《計算機教育》等。

（二）" 研究展望

1" 數(shù)字化平臺為程序設(shè)計教學(xué)提供新載體

在數(shù)字時代的背景下，程序設(shè)計的教學(xué)創(chuàng)新體現(xiàn)為“線上”與“線下”的融合、更新的關(guān)鍵特征。以在線課程平臺為主的多元數(shù)字平臺，成為程序設(shè)計教學(xué)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智慧教學(xué)實施的新型載體。在數(shù)字時代的背景下，程序設(shè)計教育的未來發(fā)展需要充分利用數(shù)字化平臺對課程進行數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)分析等，提高程序設(shè)計教學(xué)評價的精準(zhǔn)性，并實現(xiàn)教學(xué)策略的優(yōu)化。

2" 大語言模型為程序設(shè)計教學(xué)開辟新領(lǐng)域

大規(guī)模自然語言處理模型是指依托于深度學(xué)習(xí)技術(shù)，具備龐大參數(shù)量的計算機語言模型。以ChatGPT為代表的大型語言模型在交互式對話、邏輯推理以及自然語言處理等領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，這一特性可以為程序設(shè)計教學(xué)提供更加多元化的教學(xué)資源，并且能夠為學(xué)生提供個性化的編程資源推薦。

3" 轉(zhuǎn)變研究視角，探尋程序設(shè)計教學(xué)研究新方向

目前我國程序設(shè)計教學(xué)研究內(nèi)容存在國外經(jīng)驗借鑒啟示少的問題，今后有必要進一步加強對國外程序設(shè)計教學(xué)實踐經(jīng)驗與國內(nèi)現(xiàn)實情況的比較分析，探索出更加符合我國程序設(shè)計教學(xué)現(xiàn)實狀況的本土化策略和建議。

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