我国计算思维的研究热点及趋势分析

罗力强 王冬青 方远豪

摘要：近10年来，计算思维作为21世纪数字化公民所必备的一项技能，已经得到了研究学者们的普遍认可，也取得了一定的成果。为了直观地探寻我国计算思维的研究现状及研究热点，文章以中国知网（CNKI）为基本数据源，通过使用文献计量工具和社会网络分析法，从年发文量、作者分布、高频关键词、聚类分析、多维尺度分析等角度对国内2009-2019年间2572篇与计算思维相关的文献进行了可视化分析。最后给出了进一步的总结与建议，旨在为后续计算思维研究提供参考与借鉴。

关键词：计算思维;研究热点;研究趋势;社会网络分析;可视化

中图分类号：G434       文献标志码：A          文章编号：1673-8454（2020）02-0001-06

一、引言

自2006年周以真教授[1]在美国计算机权威杂志提出计算思维的概念后，该词就得到了国内外研究学者的广泛关注。在我国，计算思维（Computational Thinking，CT）一词的研究可以追溯到《从计算思维到计算文化》一文。在该文章中，王飞跃[2]不仅认可了周以真教授对计算思维一词的解析，还说明了我国传统文化中一直存在着计算思维，提出从计算思维到计算文化转变的观点。此后，有关计算思维的研究日益增加，其研究体系也日渐丰富。为了更加全面地了解国内计算思维的研究进展和研究趋势，更加直观地把握国内计算思维研究的发展趋势，文章借助SATI、SPSS、Excel等工具对国内近10年来中国知网（CNKI）收录的计算思维相关文献进行了梳理与分析。

二、数据来源及处理

文章选择中国知网为主要检索源，将检索时间设置为2009年1月至2019年5月，以“计算思维”作为主题词进行搜索，剔除不相关的文献，最终获得2572篇文献。在此基础上，为了避免数据兼容的问题，本文对所选样本进行了处理，即分格式、分批下载。从知网导出文献题录信息时，选择EndNote格式，保存为“xxx.txt”文本。 由于每次知网导出文献的上限是500条，因而分了6次下载数据源。

文章所采用的主要研究工具是SATI3.2和SPSS软件。其主要研究思路是：首先，数据格式转换。将下载的数据源导入SATI软件中，利用Transform功能实现数据的转化，以克服数据兼容的问题。其次，利用SATI中的字段抽取、频次统计和矩阵生成功能，生成了国内计算思维研究的高影响力作者和关键词的词频统计、共词矩阵，并利用SPSS中的系统聚类和多维尺度分析分别生成了国内计算思维研究的高频关键词聚类图和研究热点图。最后，根据可视化图谱的分析结果，选择具有代表性的文章进行内容分析，得出了我国计算思维的研究热点和研究趋势。

三、结果与分析

1.年发文量分析

为了可视化地呈现计算思维的研究成果，笔者统计了计算思维研究的历年发文量，如图1所示。2012年是计算思维研究的重要时间节点，是计算思维研究呈现爆发式发展的标志之年。同时，以该年为轴，可以大致将计算思维的研究历程划分为两个阶段：

（1）探索期（2009-2011年）

这一时期，学者们聚焦于计算思维的概念辨析、教学模式和教学方法的探讨，以编译原理课程、程序设计课程、Visual Basic、大学计算机基础为主要教学内容， 重点研究计算思维在计算机领域的应用。

（2）系统发展时期（2012年-至今）

2012年以来，计算思维得到了高度重视，其研究内容不再局限于以计算机专业核心课程为主的教学内容，而是创造性地结合教育学、医学等领域的教学内容，研究对象也经历了从计算机专业走向非计算机专业的转变。由此可见，计算思维打破了原有的学科界限，已逐渐成为新时期人人必备的一种新思维。

2.作者分布

科研人员的投入情况可以直接反映出参与研究的群体规模。为此，笔者统计了每年发表计算思维相关文献的作者，生成了作者投入量图（见图2）。总体上来看，我国计算思维研究者群体呈现增长的趋势，从2012年开始作者数量成倍增长，直到2014年作者数量增长达到了顶峰，较2011年作者数量增加了10倍之多。此后，作者數量虽有减少，但仍超过了2012年的作者数量。可以预见，计算思维的研究热度不减，在未来3-5年仍有较大的研究价值。

高被引文献可以直接反映该研究主题的高质量文献分布情况，也可间接反映出从事该研究主题的高影响力作者分布情况。在此基础上，以核心期刊来源为次要参考标准，笔者统计了近10年来128篇计算思维研究的高被引文献，结果如表1所示。筛选标准为：高被引文献≥10，核心期刊载文量≥2，核心作者发文量≥3。而在所统计的2572篇文献中，≥10的高被引核心文献不足5%，这直观地说明了计算思维研究仍需要加大科研投入力度，提高其研究质量。

此外，从期刊来源来看，研究作者大多数来自计算机领域和教育学领域，主要在大学阶段展开计算思维的研究。从研究作者来看，具有代表性的、高影响力的权威作者主要有李锋、董荣胜、李艺 蒋宗礼、牟琴等。

3.高频关键词分析

关键词是文献的精髓与核心，高频关键词是探寻研究热点、研究前沿分布的参考点[3]。文章首先通过对数据进行关键词的字段抽取和词频统计，共有109个高频关键词。其次，剔除高相关性的相似词，剩余20个高频关键词，其词频分布情况如表2所示。结果显示，从高到低依次为计算思维、教学改革、程序设计、教学模式、大学计算机基础、信息技术（频次大于100）。这些高频关键词涉及教学改革、计算机编程教学等方面，可以推断出计算思维的提出引发了教学变革。

研究热点不仅体现在关键词的词频上，还体现于关键词之间的相关性。文章利用SATI3.2软件生成了高频关键词相异矩阵（20×20），如表3所示。从关键词相异矩阵来看，与计算思维距离由远及近的关键词依次为：教学模式（0.0497）、大学计算机基础（0.0590）、教学改革（0.1089）。这说明了计算思维与教学模式的紧密程度小于计算思维与大学计算机基础的紧密程度，即当前计算思维研究更多聚集于其在大学计算机基础中的应用，关于培养模式的探讨还有待加强。此外，从计算思维与Scratch、C语言程序设计、Python、VB程序设计等关键词的距离来看，说明相比于以代码为主的程序教学而言，以块为主的可视化编程教学更适合培养学生的计算思维，也是计算思维研究者关注的热点之一。

4.聚类分析

关键词聚类，顾名思义就是把关系密切的关键词聚集在一起形成类团，以此说明某一研究主题中的各个分支。文章通过把SATI分析的共词矩阵结果导入SPSS软件中，利用系统聚类的思想，得到了高频关键词聚类视图（见图3）。

根据图3中的关键词连线，将计算思维研究的高频关键词分为三类：种类一包括计算思维、教学改革、大学计算机基础、程序设计、教学模式、教学方法、任务驱动、翻转课堂等8个关键词。种类二包括C语言程序设计、离散数学、非计算机专业、分层教学、案例教学、VB程序设计、信息技术等7个关键词。种类三包括核心素养、Inventor、信息素养、Scratch、Python等5个关键词。需要说明的是，本次聚类分析是在剔除高相关性的高频关键词的基础上进行的。

5.多维尺度分析

此外，通过多维尺度分析，利用Euclidean距离模型生成了计算思维研究热点知识图谱，如图4所示。根据点在坐标上的分布，参考图3聚类结果，将计算思维的研究热点概括为以下三个研究主题：

（1）计算思维的理论研究

该主题下主要涉及的关键词有计算思维、信息素养、任务驱动、分层教学、C语言程序设计等。这些关键词都在不同程度上反映了计算思维的理论探索，包含计算思维的基本内涵、构成要素等。在计算思维概念辨析方面，不同的学者根据研究的需要持有不同的观点。

任友群等[4]认为计算思维是一种独特的思维过程，旨在更好地理解和分析复杂问题，以形成自动化的问题解决方案;李锋等[5]则从认知特征、表现特征和信息化环境的视角对计算思维进行了解读，认为计算思维是一种心理工具、一种问题解决能力、一种互动过程。在计算思维构成要素方面，国内学者注重借鉴国外学者的研究成果，从而本土化。其中最具代表性的就是Brennan和Resnick对CT的界定，该框架主要包括计算概念、计算实践和计算观念等三个方面，每个方面又包括不同的子类，计算概念包括顺序、循环、并行、事件、条件、运算符和数据等;计算实践包括递增与迭代、测试和调试、再利用和再创作、抽象和模塊化;计算观念包括表达、联系和质疑[6]。此外，CSTA and ISTE的CT定义和ISTE在2015年对计算思维的界定也得到了国内研究学者的关注[7] [8]。

（2）计算思维与课程教学的研究

该主题下主要涉及的关键词有信息技术、大学计算机基础、离散数学、程序设计、非计算机专业等。这些关键词重在透漏出计算思维与学科课程教学相结合，体现了计算思维与计算机专业、信息技术专业、非计算机专业等之间的联系。同时，这些关键词也反映了计算思维是推动课程改革的主要潮流之一。

在实践教学方面，李瑛等[9]在分析大学计算机基础课程教学存在问题的基础上，提出了基于MOOC的翻转课堂教学，能够有效地实现计算思维培养的目标。姚天昉[10]以程序设计课程为例，将计算思维融入到课程建设和实践教学中，通过实验验证计算思维的培养效果。

在课程建设方面，计算思维融入科学、数学、信息技术等多学科，倡导以课程大整合观培养学生的计算思维。周佳伟等[11]从观念、思维和实践三个层面构建了科学教育的计算思维理论框架，还探讨了如何设计整合计算思维的科学课程。李锋[12]从中小学生计算思维发展需要出发，提出指向计算思维教育的STEM课程设计策略与结构框架，并用案例加以解释说明。

（3）计算思维与教学改革的研究

该主题下主要涉及的关键词有核心素养、教学模式、教学方法等，主要是探讨在核心素养指导下计算思维教学的实践创新。在教学模式方面，牟琴等[13-15]提出了基于计算思维的探究教学模式、网络自主学习模式、任务驱动式教学模式等多种教学模式。张蕾[16]提出了面向计算思维的WPBL教学模式。杨文正等[17]提出了计算思维导向的多元混合教学模式。

在教学方法方面，学者根据不同的研究视角提出了培养计算思维的教学方法。牟琴[18]从教学辅助软件方面，提出“轻游戏（Light Game）”可培养学生的计算思维，并构建了“轻游戏”与“计算思维”能力培养相结合的教学模型和学习模型。冯博琴[19]以计算机基础教学为例，在论述计算思维能力培养落地的问题上，提出了分类分层教学、改革教学模式、优化现有课程体系、学科融合等解决措施。林旺等[20]将计算思维方法和设计思维步骤相结合，从教学设计方面，提炼出通过软件应用教学中培养计算思维的设计原则。谢忠新等[21]从计算思维的构成要素和课堂活动出发，通过分析国外课堂实例，总结出如何在信息技术学科培养学生计算思维的策略与方法。此外，王移芝等[22]从实践教学方面，提出通过计算机文化培养、教学内容与资源建设、现代教育技术手段使用以及实验室建设等，可以有效培养学生的计算思维。

四、结论与建议

1.结论

文章借助SATI、SPSS等分析工具，对国内近10年来计算思维的研究成果进行了可视化分析，并梳理了国内计算思维的研究现状和研究热点。

（1）计算思维的年度分布大致可以划分为两个时期：2012年之前，可以统称为探索期，期间文献呈现缓慢增长的趋势。2012年之后，计算思维相关的文献呈现爆发式增加，研究内容和研究领域也在逐步扩大。这一时期可称之为计算思维的系统发展时期。

（2）計算思维研究的核心期刊占比较低，且研究成果大多集中在大学、高职、中职教育阶段。这说明计算思维在基础教育中的应用有待进一步普及，研究成果的质量有待进一步提高。

（3）计算思维研究的高频关键词有教学改革、程序设计、教学模式、大学计算机基础、信息技术、核心素养等，在一定程度上代表了国内计算思维研究的关注点和焦点。

（4）国内计算思维研究主要围绕“计算思维理论探索”“计算思维与课程教学”“计算思维与教学改革”三个研究主题展开，涵盖计算思维的理论研究、实践教学、课程建设、教学创新等研究领域。

2.建议

通过对国内计算思维研究现状和研究热点的分析，计算思维研究还有一些亟待解决的问题。为此，笔者对计算思维的研究提出如下建议：

（1）注重计算思维研究的深度，促进计算思维的理论研究

当前，我国计算思维研究多集中在介绍国外计算思维的内涵、基本特征、本质等层面，表明了计算思维的内涵和构成要素还没有达成共识[23]。目前，我国《普通高中课程方案和语文等学科课程标准（2017年版）》中对计算思维的界定是：计算思维是指个体运用计算机科学领域的思想方法，在形成问题解决方案的过程中产生的一系列思维活动[24]。不难发现，其只是描述了计算思维的定义和具备计算思维能力的学生标准，并没有对计算思维的构成要素、培养策略等进行说明。虽然有少数研究对计算思维的本质、基本特征进行了研究，但还需要加强理论探究，提高计算思维研究的深度，以促进计算思维的教育发展规划和基层的应用落地研究[25-27]。

（2）以课程与教学为抓手，促进义务教育中计算思维的普及

当前，国内计算思维研究主要涉及大学计算机基础课程和信息技术课程，仍体现出较为严重的学科特性。自罗海风等[28]发表《人工智能时代的必备心智素养：计算思维》一文后，更是把计算思维上升到研究的新高度。对此，需要从普及义务教育为始，重塑计算思维教学环境，建设特色课程，发挥可视化教学的引领作用。一些先行者对此进行了初探。郁晓华等[29]认识到了计算思维在中小学课堂教学中应用的必要性和重要性，提出了基于可视化编程的计算思维培养模式。邱富荣等[30]从智慧学习环境入手，探索计算思维培养新途径。未来仍需要加强计算思维的跨学科研究，构建特色课程，结合新型学习方式，开展项目式教学。

（3）借鉴国外评价成果，构建计算思维评价体系

在我国，计算思维评价研究才刚刚起步，还有待深度挖掘。在国外，计算思维评价研究已趋于成熟，有计算思维评估框架的研究，也有计算思维评估方法和计算思维评估工具的研究。在计算思维评估框架方面，有Computing Progression Pathways衡量标准、CSTA与ISTE《计算思维教师资源手册》教学案例、PECT模型等[31-33]。在计算思维评估方法方面，除了Brennan K和Resnick M提出的作品档案袋分析、基于编程制品的访谈法、情境设计法三种评估方法外，还有教学行为分析、系统映射等[6] [34] [35]。在评价工具方面，有CTT测试、Dr.Scratch、Bebras测试、CTS量表等[36-39]。为此，未来研究应充分借鉴国外研究成果，并结合国内教学实际，构建计算思维评价体系。

（4）注重教师队伍的建设，提高教师的计算思维专业素养

师资的好坏直接影响着教育的质量和效果。为了更好地普及计算思维教育，首先要从专业的教师队伍抓起，更新教师观念，进行高阶思维的培养。现阶段，教师的计算思维专业素养主要通过专业培训、职前培训等方式而展开，如意大利的 “数字学校”计划[40]。此外，美国国际教育技术协会于2018年10月公布了《ISTE教育者计算思维能力标准》（ISTE Standards for Educators： Computational Thinking Competencies）[41]，规定了教师应该必备的计算思维能力，对教师队伍计算思维的建设方向提供了有价值的参考。因此，未来还应围绕计算思维多方发力，多渠道地提升教师的计算思维专业素养。

（5）利用现有资源和技术，打造系统的计算思维教育新生态

计算思维教育是一个系统的、循序渐进的学习进程，仅仅通过一个软件或一门学科的讲解与传授无法真正达到高阶思维的培养。因此，未来需要利用现有设施与环境，整合非正式教学、网络教学应用平台、优质计算思维教育资源，融入学习分析、数据挖掘，以构建一个动态记录、智慧生成的育人环境。

最后，虽然计算思维研究仍面临一些严峻的挑战，但其落地于K-12教育中已经成为时代的发展趋势。因此，期待更多的研究者加入计算思维的研究队伍中来，呼吁计算思维研究坚持量性研究和质性研究、理论研究与实证研究并重，共同促进计算思维研究的良性发展。

参考文献：

[1]Wing J M. Computational Thinking [J].Communications of the ACM，2006（3）：33-35.

[2]王飞跃.从计算思维到计算文化[A].中国科学技术协会学会学术部.新观点新学说学术沙龙文集7：教育创新与创新人才培养[C].北京：中国科学技术协会学会学术部，2007：8.

[3]侯海燕，刘则渊，栾春娟.基于知识图谱的国际科学计量学研究前沿计量分析[J].科研管理，2009，30（1）：164-170.

[4]任友群，隋豐蔚，李锋.数字土著何以可能？——也谈计算思维进入中小学信息技术教育的必要性和可能性[J].中国电化教育，2016（1）：2-8.

[5]李锋，王吉庆.计算思维：信息技术课程的一种内在价值[J].中国电化教育，2013（8）：19-23.

[6]Brennan K， Resnick M. New Frameworks for Studying and Assessing the Development of Computational Thinking[EB/OL].http：//web.media.mit.edu/%7Ekbrennan/files/Brennan_Resnick_ AERA 2012_CT.pdf.

[7]CSTA and ISTE. Computational Thinking in K-12 Education Leadership Toolkit [EB/OL].http：//csta.acm.org/Curriculum/sub/CurrFiles/471.11CTLeadershiptToolkit -SP-vF.pdf.

[8]ISTE. CT leadership toolkit [EB/OL].https：//id.iste.

org/docs/ct-documents/ct-leadershipt-toolkit.pdf？ sfvrsn

=4.

[9]李瑛，刘瑜，李祁.利用MOOC开展计算机基础教学改革实践[J].计算机工程与科学，2016，38（S1）：237-240.

[10]姚天昉.在程序设计课程中引入“计算思维”的实践[J].中国大学教学，2012（2）：61-62+76.

[11]周佳伟，王祖浩.科学教育中的计算思维：理论框架与课程设计[J].中国电化教育，2018（11）：72-78.

[12]李锋.中小学计算思维教育：STEM课程的视角[J].中国远程教育，2018（2）：44-49+78.

[13]牟琴，谭良.基于计算思维的探究教学模式研究[J].中国远程教育，2010（11）：40-45.

[14]牟琴，谭良，吴长城.基于计算思维的网络自主学习模式的研究[J].电化教育研究，2011（5）：53-60.

[15]牟琴，谭良，周雄峻.基于计算思维的任务驱动式教学模式的研究[J].现代教育技术，2011，21（6）：44-49.

[16]张蕾.面向计算思维的WPBL 教学模式研究[J].电化教育研究，2014（3）：100-105.

[17]杨文正，刘敏昆.计算思维导向的多元混合教学及其应用研究——以“大学计算机基础”课程为例[J].中国电化教育，2017（4）：129 -136.

[18]牟琴.“轻游戏”对计算思维能力的培养——教育游戏对程序设计基础课程教学的影响[J].远程教育杂志，2011（6）：94-101.

[19]冯博琴.对于计算思维能力培养“落地”问题的探讨[J].中国大学教学，2012（9）：6-9.

[20]林旺，孙洪涛.基于软件应用的计算思维能力培养教学设计[J].中国电化教育，2014（11）：122-127.

[21]谢忠新，曹杨璐.中小学信息技术学科学生计算思维培养的策略与方法[J].中国电化教育，2015（11）：116-120.

[22]王移芝，金一，周围.基于“计算思维”能力培养的教学改革探索与实践[J].中国大学教学，2014（3）：49-53.

[23]吕春燕，傅钢善.计算思维研究进展与可视化分析[J].中国教育信息化，2019（5）：8-12.

[24]教材[2017]7号.教育部关于印发《普通高中课程方案和语文等学科课程标准（2017年版）》的通知[Z].

[25]李廉.关于计算思维的特质性[J].中国大学教学，2014 （11）：7-14.

[26]陈国良，董荣胜.计算思维的表述体系[J].中国大学教学，2013（12）：22-26.

[27]于颖，周东岱，于伟.计算思维的意蕴解析与结构建构[J].现代教育技术，2017，27（5）：60-66.

[28]罗海风，刘坚，罗杨.人工智能时代的必备心智素养：计算思维[J].现代教育技术，2019，29（6）：26-33.

[29]郁晓华，肖敏，王美玲，等.基于可视化编程的计算思维培养模式研究——兼论信息技术课堂中计算思维的培养[J].远程教育杂志，2017，35（6）：12-20.

[30]邱富荣，柳彩志.智慧学习环境下提升计算思维的探析[J].信息与电脑（理论版），2019（9）：215-217.

[31]Cynyhia， S.， Mark， D.， John， W.. Evidence of Assessing Computational Thinking[A].A New Culture of Learning： Computing and Next Generations IFIP TC3 Working Conference[C]. Vilnius，2014（12）：1-11.

[32]ISTE and CSTA. Computational Thinking Teacher Resources[EB/OL].https：//www.researchgate.net/publication/312940415_Computational_Thinking_Teacher_Resource.

[33]Seiter L， Foreman B. Modeling the learning progressions of computational thinking of primary grade students[A].International ACM Conference on International Computing Education Research [C]. San Diego， 2013（8）：59-66.

[34]Esteves M， Fonseca B， Morgado L，et al. Improving Teaching and Learning of Computer Programming through the Use of the Second Life Virtual World[J].British Journal of Educational Technology，2011，42（4）：624-637.

[35]Nathalia D C.， Christiane G W， Jean C R..Approaches to Assess Computational Thinking Competences Based on Code Analysis in K-12 Education： A Systematic Mapping Study[J].Informatics in Education，2019，18（1）：17-39.

[36]Román-González， M.， Pérez-González， J.， Jiménez-Fernández， C.. Which cognitive abilities underlie computational thinking？ Criterion validity of the Computational Thinking Test[J]. Computers in Human Behavior， 2017，72（7）：678-691.

[37]Moreno León， Jesús， Robles G. Dr. Scratch： a Web Tool to Automatically Evaluate Scratch Projects[A].WiPSCE '15 Proceedings of the Workshop in Primary and Secondary Computing Education[C].London，201（11）：132-133.

[38]Izu C ， Mirolo C ， Settle A ， et al. Exploring Bebras Tasks Content and Performance： A Multinational Study[J]. Informatics in Education，2017，16（1）：39-59.

[39]Korkmaz Ozgen ， Cakir Recep， Ozden M Yasar. A validity and reliability study of the computational thinking scales （CTS）[J]. Computers in Human Behavior，2017， 72（1）：558-569.

[40]顧钧，顾俊，唐敏.意大利“国家数字学校计划”述评[J].现代中小学教育，2014，30（10）：117-122.

[41]李媛，刘向永.跨学科整合计算思维——2018版《ISTE教育者计算思维能力标准》解读[J].中小学数字化教学，2019（8）：90-93.

（编辑：李晓萍）