我国计算思维研究热点与发展趋势解析*

彭建蕊 李美凤

摘  要  为全面分析我国计算思维发展趋势，将在中国知网期刊数据库中搜索到的与计算思维研究相关的364篇期刊论文作为本研究的数据来源，运用BICOMB、SPSS和Excel软件，对文献开展论文发表年度分布分析、高频关键词分析、聚类分析以及多维尺度分析。可以看出：我国计算思维的当前研究主要集中在五个重要方向，分别是时代要求、教学内容、教学模式、高等教育的应用研究、基础教育的应用研究。最后指出未来计算思维的研究应集中在计算思维教学实践验证、教师计算思维教学能力等发展方向。

关键词  计算思维；核心素养；词频分析；聚类分析；多维尺度分析；BICOMB；SPSS；Excel

中图分类号：G420    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）17-0075-04

0  引言

随着新兴计算技术的蓬勃发展，21世纪的每个人几乎无时无刻不在跟计算机进行沟通，计算在各行各业中展现出与日俱增的重要性，作为计算形态所对应的思维方式，计算思维也成为高中信息技术学科四大核心素养之一，成为我国教育领域的研究热点。通过探究我国计算思维已有研究现状、热点领域和发展趋势，有利于为优化国内计算思维研究提供参考。例如：刘敏娜等[1]对国外计算思维的研究从“概念解读”到“计算思维的教育内容类型”再到“计算思维如何评价”等方面进行内容分析；范文翔等[2]从理论研究和应用研究两个大方向对国内外的计算思维研究进行分析。但总的说来，目前国内计算思维的研究还存在研究方法单一、研究成果量少等不足。

为了进一步明晰国内围绕计算思维已经作了哪些研究，并且未来会朝着哪一个方向发展等问题，本研究基于BICOMB、SPSS等软件，采用聚类分析初步探索关键词之间的关系，运用多维尺度分析进一步呈现各关键词所处的位置，分析我国计算思维研究的热点和主题，为相关学者进行计算思维研究提供参考。

1  数据方法与工具

1.1  数据来源

本研究的文献数据来源于中国知网（CNKI）。首先打开高级检索界面，接着选择检索条件为主题词，并在检索栏中输入“计算思维”开始检索，检索文献的类型为期刊论文，来源类别为“SCI”“核心期刊”和“CSSCI”三种。依据以上限定条件检索之后，共有412篇期刊论文与计算思维相关，通过手工筛选删除与主题内容无关的文章之后，总计有效文献为364篇，后续的量化统计分析数据均为这364篇文献的数据。

1.2  研究方法

无论运用哪种软件进行数据分析，核心前提都是需要理解每一种分析方法的原理，只有掌握了原理才能够在处理数据和操作软件时达到游刃有余。因此，在做共词分析时需要明晰共词分析法的原理，即统计词甲和词乙两个关键字在文献1和文献2中同时出现的次数，这个过程称为共现。词甲和词乙在两篇不同文献中同时出现的次数可以表征两篇文献的亲疏程度或者连接强度，出现的次数越多，说明两篇文献与主题词之间的关系越紧密，是需要仔细研读并分析的重要文献。本研究通过BICOMB这一书目分析软件，对搜索到的符合条件的国内计算思维相关文献的关键词进行提取和分类，在导出相关矩阵的前提下，利用SPSS统计软件客观地归纳出该领域的直观量化信息。

1.3  研究工具与思路

1.3.1  准备研究工具

本研究以BICOMB 2.0和SPSS 20.0作为主要研究工具，并辅以Excel软件进行数据之间的转换。前两个软件需要提前下载并安装，为接下来的数据提取和数据分析做准备。

1.3.2  收集数据

首先，进入中国知网后，根据限定好的条件进行文献检索；其次，通过中国知网题录信息导出功能，以NoteFirst格式导出364篇有效文献。

1.3.3  进行量化统计

首先，打开下载好的BICOMB 2.0软件，在主界面下方建立一个新项目，格式类型选择.cnki，以适配刚刚在CNKI导出的NoteFirst格式；

其次，输入项目名称，选取由CNKI导出的文件，进行关键词字提取操作；

再次，点击下方工具栏进入统计功能区，进行关键词字段的频数统计并导出至Excel表格中（若“导出至Excel”按钮不可用，需要排查Microsoft

Office的版本是否已升级到最新版本，若是，则需要降低版本号），从而生成可视化图表；

最后，点击下方工具栏进入矩阵功能区，生成高频关键词的词篇矩阵和共现矩阵的文本文件。

1.3.4  生成高频关键词的相似矩阵和相异矩阵

首先，打开已经下载好的SPSS 20.0软件，导入保存好的后缀为.txt的词篇矩阵文件，并按照如下步骤进行操作。

首先，在工具栏中选择“分析”选项，在弹出的下拉栏中选择“分类”选项，选择“系统聚类”选项，值得注意的是需要在弹出的统计对话框中选中“近似值矩阵”选项，这一步的目的生成Ochiai系数相似矩阵）。

其次，为了避免矩阵中“0”过多的问题，需要在SPSS的输出界面将相似矩阵数据导出为以.xls为后缀的文件，并且将保存好的文件在Excel中打开：在表格空白处输入数字-1，复制此单元格并粘贴到想要进行数据变换的单元格上，右键选择性粘贴，选择粘贴方式为“数值”，计算方式选择“乘”或“除”；将刚刚输入的“-1”改为“1”，重复刚刚的选择性粘贴步骤，但是需要将计算方式改为“加”。

1.3.5  进行高频关键词聚类分析和多维尺度分析

将上述转换完成的相异矩阵导入SPSS 20.0软件，进行聚类分析和多维尺度分析。值得注意的是，转换完成的相异矩阵中包含一行无效数据需要删除，并在变量视图将第一列数据类型改为“数值”，以免影响聚类分析的结果。

2  数据统计与结果分析

2.1  论文发表年度分布

某一领域的文献发表数量可以在一定程度上反映该领域研究的发展速度。筛选的2009—2021年文献数量整体呈直线上升趋势，如图1所示。自2018年教育部颁布的《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》提出“信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任等四大信息技术学科核心素养”[3]以来，计算思维引起众多学者的关注，文献数量一直呈上升趋势。随着人工智能、5G等新兴技术的快速发展以及计算时代的来临，未来计算思维的相关研究文献数量将保持持续增长的趋势。

2.2  高频关键词分析

一个领域较长时间内的大量学术成果的关键词集合，有助于确定该研究成果的总体特征以及热点前沿。因此，本研究通过BICOMB 2.0软件对已导出的有效文献进行关键词统计分析，数据处理结果如表1所示。这些核心高频关键词表述的研究内容反映出我国计算思维研究的核心内容，在人工智能快速发展的时代背景下，众多学者从关注“计算思维是什么”逐步过渡到关注“计算思维如何培养”，且研究领域多为大学的计算机类课程以及中小学的信息技术课程。

2.3  高频关键词聚类分析

为了更好地挖掘出隐藏在高频关键词之间的关系和知识信息，需要对高频关键词进行聚类分析[4]。由上可知，首先需要将“词篇矩阵”转为“相似矩阵”，再转换为“相异矩阵”，经过一系列的数据转换后，相异矩阵的部分内容如表2所示。

由表2可知，各关键词与计算思维的距离由远及近的顺序依次为“编程教育（0.859）”“人工智能（0.849）”“信息技术（0.826）”“大学计算机基础（0.751）”“教学改革（0.741）”。依据这些数据可知，学界学者在讨论计算思维的相关研究时会更多的将其与编程教育、人工智能和信息技术联系在一起。

2.4  多维尺度分析

聚类分析可以得到国内计算思维研究的主题结构，但没办法明确各个主题在计算思维研究中所处的位置，因此需要采用SPSS 20.0软件对上述高频关键词构成的相异矩阵进行多维尺度分析。通过以上对已导出数据的处理和分析，本研究将我国计算思维的现有研究分为以下几类。

2.4.1  计算思维研究的时代要求

该主题由“人才培养”“创新能力”“智能时代”“跨学科”这四个关键词构成。从聚类树状图可知，在距离0～15内，“人才培养”“创新能力”与“智能时代”就完成聚类，说明这三个关键词的关系十分紧密，并且对计算思维的培养是在智能时代背景下对人才培养的要求，且在跨学科中更能够培养计算思维。从知识图谱可知，该主题距离中心相对较远，说明其比较狭小。根据相关文献分析，众多学者均以时代发展为依托去解读计算思维的概念，从理论层面对计算思维未来的研究提出展望。

2.4.2  面向计算思维培养的教学内容研究

该主题由“美国”“计算机科学”“STEM”等八个关键词构成。根据相关文献分析可知：该主题是对美国ISTE（国际教育技术协会）发布的《教育者标准：计算思维能力》进行的解读、计算思维在教学中的应用和计算思维对中小学课程的影响等。其中，信息技术课程是培养计算思维的主要阵地，文本编程工具和图形化编程工具可以促进计算思维的发展[5]。如张学军等[6]以Python课程为载体，进行数字化游戏教学实践，结果表明：Python课程数字游戏化教学能显著改善高中学生的计算思维态度，并提升其计算思维技能。但是，计算思维教育绝不仅仅止步于编程教育。如陈兴冶等[7]以“网络故障排查”为教学内容，并进行实验教学，结果表明：选取除编程之外的教学内容同样能够提升学习者的计算思维水平。然而针对“到底什么是计算思维”“计算思维在教学中以什么样的内容呈现”等问题，由于每位学者对计算思维的解读不同，便出现以不同知识点为教学内容的计算思维教学实践。

2.4.3  计算思维的教学模式研究

该主题由“教学模式”“大数据”和“实践教学”等三个关键词构成。计算思维同其他思维一样，不是与生俱来的，而是日积月累的，因此，国内有众多学者建构了一些面向计算思维培养的教学模式。如肖锋等学者[8]结合实际教学需求，构建以计算思维培养为核心的PBL教学模式，并将该模式应用于“SQL语言”一章节内容的教学中，结果表明：PBL教学模式可以提升学生的计算思维。其他学者也对计算思维的培养模式进行了探索，如WPBL教学模式、探究教学模式以及“轻游戏”教学模式等，均能够有效地培养学生的计算思维能力[9-11]。

2.4.4  计算思维在高等教育中的应用研究

该主题由“课程体系”“抽象”“信息素养”等13个关键词构成，反映出计算思维在高等教育领域的研究受到众多学者的关注。通过分析相关的政策背景，这很可能是因为教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会发表的《计算机教学改革宣言》《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》等文件中，都明确地指出要培养大学生的计算思维能力。

2.4.5  计算思维在基础教育中的应用研究

该主题由“信息技术”“核心素养”“人工智能”等九个关键词构成，反映出计算思维的应用领域十分广泛。计算思维以一种全新的思维方式出现在人们的视野，越来越多的学者意识到仅在高等教育阶段培养计算思维远远不够，应注重基础教育阶段的计算思维教育。因此，中小学信息技术课程成为开展计算思维教育的主要载体，提升教师的计算思维教学能力是未来计算思维教育研究的必要趋势。

3  结论与反思

综上所述，我国学者对计算思维的热情从未消散，并且越来越意识到计算思维对改变未来生活的重要性。关于我国计算思维的未来研究，可将重点放在以下方面。

1）对计算思维进行系统分析及较明确的定义。曾有学者提到下一个十年赢在计算思维，未来是人们和智能机器人一起仰望时空的时代。在此背景下，对计算思维概念的清晰界定能够更好地指导计算思维教学实践的开展。

2）继续围绕计算思维的教学模式和应用效果展开系统化研究，进一步关注对计算思维的实证研究，通过分析基于计算思维的教学模式的应用效果，从而客观地进行检验和评价。

3）对学生计算思维的培养不是一项短期工程。虽然已经有众多学者关注到培养学生计算思维的重要性，但对教师计算思维教学能力的关注较少。因此，在如火如荼地开展计算思维教育的形势下，也应该认识到教师的计算思维教学能力很大程度上决定了计算思维教学的效果，关注信息技术在职教师以及职前教师的计算思维教学能力，是为提升全民计算思维能力的基础。

参考文献

[1] 刘敏娜，张倩苇.国外计算思维教育研究进展[J].开放教育研究，2018（1）：41-53.

[2] 范文翔，张一春，李艺.国内外计算思维研究与发展综述[J].远程教育杂志，2018（2）：3-17.

[3] 中华人民共和国教育部.普通高中信息技术课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[4] 谭春辉，桑静.我国人文社会科学评价研究三十年：基于CNKI期刊数据库的可视化分析[J].情报杂志，2013（12）：132-138.

[5] 傅骞，解博超，郑娅峰.基于图形化工具的编程教学促进初中生计算思维发展的实证研究[J].电化教育研究，2019（4）：122-128.

[6] 张学军，岳彦龙，梁屿藩.Python课程中数字化游戏教学培养高中生计算思维的实证研究[J].电化教育研究，2021（7）：91-98.

[7] 陈兴冶，王昌国.高中信息技术学科计算思维培养的实证研究[J].电化教育研究，2019（12）：97-102.

[8] 肖锋，辛大欣，耿朝阳.计算思维培养为核心的教学模式研究与实践：以“数据库原理与应用”课程为例[J].现代教育技术，2015（7）：49-55.

[9] 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.

[10] 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.

[11] 曾夏玲.基于计算思维能力培养的“轻游戏”教学模式初探[J].职教论坛，2015（11）：79-82.

*本文受辽宁省教育科学规划课题“智慧课堂中学习体验的影响因素与优化设计研究”（项目编号：JG18CB416。主持人：李美凤）资助。

作者：彭建蕊，沈阳师范大学新闻与传播学院教育技术学专业在读硕士研究生；李美凤，沈阳师范大学新闻与传播学院，博士，教授，硕士生导师，主要研究方向为信息化教师教育、信息技术教育（110034）。