計算思維研究熱點與發展趨勢解析

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0引言

隨著新興計算技術的蓬勃發展，21世紀的每個人幾乎無時無刻不在跟計算機進行溝通，計算在各行各業中展現出與日俱增的重要性，作為計算形態所對應的思維方式，計算思維也成為高中信息技術學科四大核心素養之一，成為我國教育領域的研究熱點。通過探究我國計算思維已有研究現狀、熱點領域和發展趨勢，有利于為優化國內計算思維研究提供參考。例如：劉敏娜等[1]對國外計算思維的研究從“概念解讀”到“計算思維的教育內容類型”再到“計算思維如何評價”等方面進行內容分析；范文翔等[2]從理論研究和應用研究兩個大方向對國內外的計算思維研究進行分析。但總的說來，目前國內計算思維的研究還存在研究方法單一、研究成果量少等不足。為了進一步明晰國內圍繞計算思維已經作了哪些研究，并且未來會朝著哪一個方向發展等問題，本研究基于Bicomb、SPSS等軟件，采用聚類分析初步探索關鍵詞之間的關系，運用多維尺度分析進一步呈現各關鍵詞所處的位置，分析我國計算思維研究的熱點和主題，為相關學者進行計算思維研究提供參考。

1數據方法與工具

1.1數據來源

本研究的文獻數據來源于中國知網（CNKI）。首先打開高級檢索界面，接著選擇檢索條件為主題詞，并在檢索欄中輸入“計算思維”開始檢索，檢索文獻的類型為期刊論文，來源類別為“SCI”“核心期刊”和“CSSCI”三種。依據以上限定條件檢索之后，共有412篇期刊論文與計算思維相關，通過手工篩選刪除與主題內容無關的文章之后，總計有效文獻為364篇，后續的量化統計分析數據均為這364篇文獻的數據。

1.2研究方法

無論運用哪種軟件進行數據分析，核心前提都是需要理解每一種分析方法的原理，只有掌握了原理才能夠在處理數據和操作軟件時達到游刃有余。因此，在做共詞分析時需要明晰共詞分析法的原理，即統計詞甲和詞乙兩個關鍵字在文獻1和文獻2中同時出現的次數，這個過程稱為共現。詞甲和詞乙在兩篇不同文獻中同時出現的次數可以表征兩篇文獻的親疏程度或者連接強度，出現的次數越多，說明兩篇文獻與主題詞之間的關系越緊密，是需要仔細研讀并分析的重要文獻。本研究通過Bicomb這一書目分析軟件，對搜索到的符合條件的國內計算思維相關文獻的關鍵詞進行提取和分類，在導出相關矩陣的前提下，利用SPSS統計軟件客觀地歸納出該領域的直觀量化信息。

1.3研究工具與思路

1.3.1準備研究工具

本研究以Bicomb2.0和SPSS20.0作為主要研究工具，并輔以Excel軟件進行數據之間的轉換。前兩個軟件需要提前下載并安裝，為接下來的數據提取和數據分析做準備。

1.3.2收集數據

首先，進入中國知網后，根據限定好的條件進行文獻檢索；其次，通過中國知網題錄信息導出功能，以NoteFirst格式導出364篇有效文獻。

1.3.3進行量化統計

首先，打開下載好的Bicomb2.0軟件，在主界面下方建立一個新項目，格式類型選擇.cnki，以適配剛剛在CNKI導出的NoteFirst格式；其次，輸入項目名稱，選取由CNKI導出的文件，進行關鍵詞字提取操作；再次，點擊下方工具欄進入統計功能區，進行關鍵詞字段的頻數統計并導出至Excel表格中（若“導出至Excel”按鈕不可用，需要排查MicrosoftOffice的版本是否已升級到最新版本，若是，則需要降低版本號），從而生成可視化圖表；最后，點擊下方工具欄進入矩陣功能區，生成高頻關鍵詞的詞篇矩陣和共現矩陣的文本文件。

1.3.4生成高頻關鍵詞的相似矩陣和相異矩陣

首先，打開已經下載好的SPSS20.0軟件，導入保存好的后綴為.txt的詞篇矩陣文件，并按照如下步驟進行操作。首先，在工具欄中選擇“分析”選項，在彈出的下拉欄中選擇“分類”選項，選擇“系統聚類”選項，值得注意的是需要在彈出的統計對話框中選中“近似值矩陣”選項，這一步的目的生成Ochiai系數相似矩陣）。其次，為了避免矩陣中“0”過多的問題，需要在SPSS的輸出界面將相似矩陣數據導出為以.xls為后綴的文件，并且將保存好的文件在Excel中打開：在表格空白處輸入數字-1，復制此單元格并粘貼到想要進行數據變換的單元格上，右鍵選擇性粘貼，選擇粘貼方式為“數值”，計算方式選擇“乘”或“除”；將剛剛輸入的“-1”改為“1”，重復剛剛的選擇性粘貼步驟，但是需要將計算方式改為“加”。

1.3.5進行高頻關鍵詞聚類分析和多維尺度分析

將上述轉換完成的相異矩陣導入SPSS20.0軟件，進行聚類分析和多維尺度分析。值得注意的是，轉換完成的相異矩陣中包含一行無效數據需要刪除，并在變量視圖將第一列數據類型改為“數值”，以免影響聚類分析的結果。

2數據統計與結果分析

2.1論文發表年度分布

某一領域的文獻發表數量可以在一定程度上反映該領域研究的發展速度。篩選的2009—2021年文獻數量整體呈直線上升趨勢，如圖1所示。自2018年教育部頒布的《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》提出“信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任等四大信息技術學科核心素養”[3]以來，計算思維引起眾多學者的關注，文獻數量一直呈上升趨勢。隨著人工智能、5G等新興技術的快速發展以及計算時代的來臨，未來計算思維的相關研究文獻數量將保持持續增長的趨勢。

2.2高頻關鍵詞分析

一個領域較長時間內的大量學術成果的關鍵詞集合，有助于確定該研究成果的總體特征以及熱點前沿。因此，本研究通過Bicomb2.0軟件對已導出的有效文獻進行關鍵詞統計分析，數據處理結果如表1所示。這些核心高頻關鍵詞表述的研究內容反映出我國計算思維研究的核心內容，在人工智能快速發展的時代背景下，眾多學者從關注“計算思維是什么”逐步過渡到關注“計算思維如何培養”，且研究領域多為大學的計算機類課程以及中小學的信息技術課程。

2.3高頻關鍵詞聚類分析

為了更好地挖掘出隱藏在高頻關鍵詞之間的關系和知識信息，需要對高頻關鍵詞進行聚類分析[4]。由上可知，首先需要將“詞篇矩陣”轉為“相似矩陣”，再轉換為“相異矩陣”，經過一系列的數據轉換后，相異矩陣的部分內容如表2所示。由表2可知，各關鍵詞與計算思維的距離由遠及近的順序依次為“編程教育（0.859）”“人工智能（0.849）”“信息技術（0.826）”“大學計算機基礎（0.751）”“教學改革（0.741）”。依據這些數據可知，學界學者在討論計算思維的相關研究時會更多的將其與編程教育、人工智能和信息技術聯系在一起。

2.4多維尺度分析

聚類分析可以得到國內計算思維研究的主題結構，但沒辦法明確各個主題在計算思維研究中所處的位置，因此需要采用SPSS20.0軟件對上述高頻關鍵詞構成的相異矩陣進行多維尺度分析。通過以上對已導出數據的處理和分析，本研究將我國計算思維的現有研究分為以下幾類。

2.4.1計算思維研究的時代要求

該主題由“人才培養”“創新能力”“智能時代”“跨學科”這四個關鍵詞構成。從聚類樹狀圖可知，在距離0～15內，“人才培養”“創新能力”與“智能時代”就完成聚類，說明這三個關鍵詞的關系十分緊密，并且對計算思維的培養是在智能時代背景下對人才培養的要求，且在跨學科中更能夠培養計算思維。從知識圖譜可知，該主題距離中心相對較遠，說明其比較狹小。根據相關文獻分析，眾多學者均以時代發展為依托去解讀計算思維的概念，從理論層面對計算思維未來的研究提出展望。

2.4.2面向計算思維培養的教學內容研究

該主題由“美國”“計算機科學”“STEM”等八個關鍵詞構成。根據相關文獻分析可知：該主題是對美國ISTE（國際教育技術協會）發布的《教育者標準：計算思維能力》進行的解讀、計算思維在教學中的應用和計算思維對中小學課程的影響等。其中，信息技術課程是培養計算思維的主要陣地，文本編程工具和圖形化編程工具可以促進計算思維的發展[5]。如張學軍等[6]以Python課程為載體，進行數字化游戲教學實踐，結果表明：Python課程數字游戲化教學能顯著改善高中學生的計算思維態度，并提升其計算思維技能。但是，計算思維教育絕不僅僅止步于編程教育。如陳興冶等[7]以“網絡故障排查”為教學內容，并進行實驗教學，結果表明：選取除編程之外的教學內容同樣能夠提升學習者的計算思維水平。然而針對“到底什么是計算思維”“計算思維在教學中以什么樣的內容呈現”等問題，由于每位學者對計算思維的解讀不同，便出現以不同知識點為教學內容的計算思維教學實踐。

2.4.3計算思維的教學模式研究

該主題由“教學模式”“大數據”和“實踐教學”等三個關鍵詞構成。計算思維同其他思維一樣，不是與生俱來的，而是日積月累的，因此，國內有眾多學者建構了一些面向計算思維培養的教學模式。如肖鋒等學者[8]結合實際教學需求，構建以計算思維培養為核心的PBL教學模式，并將該模式應用于“SQL語言”一章節內容的教學中，結果表明：PBL教學模式可以提升學生的計算思維。其他學者也對計算思維的培養模式進行了探索，如WPBL教學模式、探究教學模式以及“輕游戲”教學模式等，均能夠有效地培養學生的計算思維能力[9-11]。

2.4.4計算思維在高等教育中的應用研究

該主題由“課程體系”“抽象”“信息素養”等13個關鍵詞構成，反映出計算思維在高等教育領域的研究受到眾多學者的關注。通過分析相關的政策背景，這很可能是因為教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會發表的《計算機教學改革宣言》《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》等文件中，都明確地指出要培養大學生的計算思維能力。

2.4.5計算思維在基礎教育中的應用研究

該主題由“信息技術”“核心素養”“人工智能”等九個關鍵詞構成，反映出計算思維的應用領域十分廣泛。計算思維以一種全新的思維方式出現在人們的視野，越來越多的學者意識到僅在高等教育階段培養計算思維遠遠不夠，應注重基礎教育階段的計算思維教育。因此，中小學信息技術課程成為開展計算思維教育的主要載體，提升教師的計算思維教學能力是未來計算思維教育研究的必要趨勢。

3結論與反思

綜上所述，我國學者對計算思維的熱情從未消散，并且越來越意識到計算思維對改變未來生活的重要性。關于我國計算思維的未來研究，可將重點放在以下方面。

（1）對計算思維進行系統分析及較明確的定義。曾有學者提到下一個十年贏在計算思維，未來是人們和智能機器人一起仰望時空的時代。在此背景下，對計算思維概念的清晰界定能夠更好地指導計算思維教學實踐的開展。

（2）繼續圍繞計算思維的教學模式和應用效果展開系統化研究，進一步關注對計算思維的實證研究，通過分析基于計算思維的教學模式的應用效果，從而客觀地進行檢驗和評價。

（3）對學生計算思維的培養不是一項短期工程。雖然已經有眾多學者關注到培養學生計算思維的重要性，但對教師計算思維教學能力的關注較少。因此，在如火如荼地開展計算思維教育的形勢下，也應該認識到教師的計算思維教學能力很大程度上決定了計算思維教學的效果，關注信息技術在職教師以及職前教師的計算思維教學能力，是為提升全民計算思維能力的基礎。

參考文獻

[1]劉敏娜,張倩葦.國外計算思維教育研究進展[J].開放教育研究,2018(1):41-53.

[2]范文翔,張一春,李藝.國內外計算思維研究與發展綜述[J].遠程教育雜志,2018(2):3-17.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中信息技術課程標準（2017年版）[S].北京:人民教育出版社,2018.

[4]譚春輝,桑靜.我國人文社會科學評價研究三十年:基于CNKI期刊數據庫的可視化分析[J].情報雜志,2013(12):132-138.

[5]傅騫,解博超,鄭婭峰.基于圖形化工具的編程教學促進初中生計算思維發展的實證研究[J].電化教育研究,2019(4):122-128.

[6]張學軍,岳彥龍,梁嶼藩.Python課程中數字化游戲教學培養高中生計算思維的實證研究[J].電化教育研究,2021(7):91-98.

[7]陳興冶,王昌國.高中信息技術學科計算思維培養的實證研究[J].電化教育研究,2019(12):97-102.

[8]肖鋒,辛大欣,耿朝陽.計算思維培養為核心的教學模式研究與實踐:以“數據庫原理與應用”課程為例[J].現代教育技術,2015(7):49-55.

[9]牟琴,譚良.基于計算思維的探究教學模式研究[J].中國遠程教育,2010(11):40-45.

[10]張蕾.面向計算思維的WPBL教學模式研究[J].電化教育研究,2014(3):100-105.

[11]曾夏玲.基于計算思維能力培養的“輕游戲”教學模式初探[J].職教論壇,2015(11):79-82.

作者:彭建蕊 李美鳳