计算思维培养的研究综述＊

常咏梅，李怡灼

（西北师范大学教育技术学院，甘肃 兰州 730070）

1 引言

美国卡内基·梅隆大学教授周以真，2006 年在美国计算机协会通讯杂志上提出了计算思维的概念，周以真教授将计算思维定义为运用计算机科学的相关理念，对问题进行求解的一系列思维活动[1]。在计算思维的概念被提出之后，许多专家学者也陆续地跟进研究，对计算思维进行探讨。随着研究的深入，计算思维已经被越来越多的人重视起来，计算思维的培养也成为现今关注的热点之一。

本研究采用文献研究法，对2006—2021 年之间有关计算思维培养的文献加以分析，探究我国计算思维的培养现状，并提出针对性的培养建议，以期望能为计算思维培养的研究提供一些参考。

2 计算思维培养的内涵

2.1 计算思维的概念

专家学者从不同角度出发对计算思维的相关概念进行了多样化探讨。大体来说，学术界对计算思维的理解主要侧重于解决问题、思维活动、实践活动和创新能力四个方面。

解决问题。2011 年，国际教育技术协会联合科学教师协会共同将计算思维定义为问题解决过程。

思维活动。思维活动的代表人物是周以真教授，他认为计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计，以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动[2]。王飞跃[3]认为，从广义的角度而言，计算思维是一种基于可计算手段并以定量方式进行的思维过程；狭义的角度而言，计算思维是一种数据驱动的思维过程。李艳坤等[4]认为计算思维是运用计算的科学方法进行问题求解的一种思想活动。他们都把计算思维归结为一种思维活动。

实践活动。蒋宗礼[5]认为计算思维是在各类问题的求解中有意识地使用计算机科学家们采用的思想、方法技术及工具甚至是环境，不仅包括思考，还包括更一般的活动。王荣良[6]提出计算思维是经历抽象形式化，构造自动化的过程。

创新能力。2010 年C9 大学联盟发布了《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》，声明表达了发展和培养学生计算思维的必要性，以及为国家培养创新型人才的重要性[7]。《普通高中信息技术课程标准（2017 版）》在四大核心素养中加入计算思维，计算思维已经成为学生所要通过学习必备的能力。此标准认为具备计算思维的学生，具有综合利用各种资源，并能有效利用计算机解决相关问题的能力[8]。与此同时，以期通过计算思维的培养，来发展人的创新综合能力。

综合上述四种观点，我们可以发现这四种观点各有侧重。解决问题更重视计算思维的问题解决能力，以期通过计算思维来解决目前的困难，可以说解决问题是使用和发展计算思维的目的。而思维活动相比于解决问题而言，更强调计算思维是一种过程性思维，强调在解决问题的过程中，需要思维的参与。实践活动认为计算思维是一种实践活动，与其他实践活动不同的是，计算思维是人使用计算机相关方法来进行的实践。创新能力则更侧重于计算思维对于学习者创新能力的培养，更关注计算思维带来的结果。

2.2 计算思维的培养

“九校联盟（C9）计算机基础课程研讨会”中，陈国良院士出席会议并作了“计算思维能力培养研究”的报告。这次会议明确提出把“计算机思维能力的培养”作为计算机基础教育的核心任务。最新修订的《普通高中信息技术课程标准》中，将计算思维列为学生必备的四种基本素养之一。自从计算思维的概念被提出以来，许多有关于“计算思维培养策略”“计算思维培养模式”“计算思维培养工具”等也相继展开。

其中郁晓华[9]对计算思维的培养进行了明确的概念界定，认为计算思维的培养是将计算机科学解决问题的方法和过程扩展到其他学科，进而形成计算化和自动化的解决方案，其核心业务是培养学生如何构建目标问题域和分解任务逻辑，抽象为系统方法并由计算机实现。

3 计算思维培养的研究历程分析

本研究以CNKI 数据库中的文献作为数据来源，以“计算思维培养”以及“计算思维发展”作为主题词进行检索。主要是筛选科学引文索引（SCI）、工程索引（EI）、中文社会科学引文索引（CSSCI）、中国科学引文数据库（CSCD）中的期刊以及硕博士论文，并将检索的时间跨度设置为2006—2021年，同时剔除有关会议通知、会议报道、期刊征稿等与研究无关的消息类文献，以保证选取文献的科学性、权威性和有效性，共筛选出相关文献385篇，作为研究样本进行分析，其中包括期刊文献163篇，硕博士论文222篇。分析结果如图1所示。

图1 计算思维培养年度发文量趋势图

由1 图可以看出，从2010—2021 年，我国计算思维培养发文量的发展趋势可以大致分为初步萌芽、缓慢探索、快速发展三个阶段。

第一阶段为2010—2013 年，每年年度发文量均少于15篇，这个时期为计算思维培养的初步萌芽时期。自计算思维的概念首次被提出后，随之2009年7月举办“九校联盟（C9）计算机基础课程研讨会”会议，会议的召开给计算思维的发展带来了转折，会议的主要内容为促进计算机基础教学的质量，同时将计算思维作为计算机基础教学的重点，并提出要发展和培养学生的计算思维。本次会议将计算思维正式带入了教育领域，教育领域的学者们开始关注计算思维，并开始重视计算思维的培养。

第二阶段为2014—2017 年，这个阶段是计算思维培养的缓慢探索阶段，这一时期的年度发文量维持在30篇以内。2014年发文量的快速增长，究其原因是2013年发布的《计算思维教学改革宣言》，将计算思维培养确立为高校计算机基础课教学的中心。经过第一阶段的萌芽时期，我国对于计算思维的研究热情高涨，各类高校开始研究探索计算思维的培养，不仅是计算机类的高校，还包括农林类高校，文科类院校、化工类院校、军校等多类型高等院校。

第三阶段为快速发展阶段，时间为2018 年至今，这一时期是技术飞速发展的时期，2017 年国家正式将计算思维列入新修改的高中课程标准中，随后计算思维的培养也成为基础教育领域的研究热点。计算思维在各个学科、各个学段的重要性体现了出来。各学段通过将计算思维与各种教学模式相结合来培养计算思维。2020 年，计算思维培养的发文量达到了波峰（97 篇）。并经CNKI 的可视化分析预测，2021年的发文量将会持续稳定增长。

从计算思维培养的三阶段可以看出，计算思维的培养经历了从初步萌芽阶段的发文量较少，到缓慢探索阶段，对计算思维的充分探索是我国计算思维发展的必经途径，是计算思维培养与高等教育领域融合的一个关键时期。快速发展阶段是缓慢探索阶段的积累，计算思维的培养不仅能与高等教育联系在一起，在其他教育阶段也同样适用，表明计算思维的培养已经在教育领域占有了举足轻重的地位。

4 计算思维培养的研究现状分析

综合研究近十年计算思维培养有关文献，发现选取的385 篇文献中，研究者主要是来自高等教育领域的专家学者、研究生与博士生。虽然也有一线教师注意到了计算思维的培养，但是一线教师研究者数量并不是很多。所以，在基础教育、职业教育以及特殊教育领域的一线教师需要充分关注到计算思维的培养。

针对163 篇期刊文献分析得出结果，计算思维的培养目前主要集中在计算机教育领域，其关注度为57.89%；其次是图书领域，以及军事领域，而其余的领域相比计算机教育领域来说关注度较少仅为5%左右。所以还需要加强计算思维与其他学科、专业的融合研究，让更多领域的研究者都关注计算思维的培养。

5 计算思维培养的研究领域分析

针对与计算思维培养相关的163篇期刊文献进行阅读、整理分类和特点分析，发现研究有关计算思维培养的内容逐渐丰富，研究内容涉及多个领域。根据分析，目前计算思维培养研究主要集中在“策略方法研究”“模式模型研究”“编程工具研究”“套装设备研究”“辅助资源研究”等五个领域。

5.1 策略方法研究

目前，计算思维的相关培养策略方法研究，可以分为以下四种类型：

（1）实验教学法的应用研究

郑丽坤等[10]提出实验教学的方法，在构建实验教学内容的过程中结合计算机科学思维的方法，以期在高等教育计算机基础课程中培养学生的计算思维。陈杰华等[11]通过改革实验教学法来培养学生的计算思维，在提高实验教学法在教学过程中地位的同时，设计出具有创新型、趣味性、有价值的实验内容。实验教学法充分鼓励学生动手实践。

（2）案例教学法的应用研究

窦祥国等[12]认为将案例教学法应用到高职C 语言程序教学中，能够有效提升高职学生的计算思维水平，同时在二重循环教学中引入图形传输案例，能让学生通过解决问题来进行深入的学习。姜洋等[13]在案例教学的基础上提出混合式案例教学法，在案例教学之前，先进行数据类型的讲解，让学生更好地掌握数据处理的常用方法，为后续的学习打下基础。

（3）互动教学法的应用研究

在计算思维培养的过程中，师生要进行充分的互动。杨玉芹等[14]通过分析26 位从事小学机器人教育的一线教师访谈，提出教师可以通过与学生进行分享交流和口头鼓励，培养学生的计算思维。

（4）创设情境法的应用研究

郑茜[15]指出有关计算思维培养的教学内容应与学生的生活接轨，贴近学生的实际生活。王佑镁等[16]认为编程主题应生活化，能给学生留下更加深刻的印象。

可见，计算思维的培养一定要学生通过实验、互动、案例等亲身体验获得，并且应在基于真实问题解决过程中逐步养成。

5.2 模式模型研究

随着计算思维的发展，计算思维的相关培养模式、模型也涌现出来。针对近年来的文献研究可把计算思维培养的教学模式、模型大概分为五类：

（1）项目式教学模式的应用研究

王云等[17]通过分析项目式教学在计算思维培养过程中的优势，提出基于项目式教学的计算思维培养模式，并将该模式应用于“循迹踢球”项目中，体现了该模式的优势。丁世强等[18]结合计算思维能力发展要素与项目式教学要素的映射关系，设计了面向计算思维能力发展的项目式教学模式。项目式教学强调学生在真实的情境中学习，通过合作交流利用各种工具解决问题，完成任务。这与计算思维的培养是充分契合的，把项目式教学与计算思维的培养相结合起来，充分发挥项目式教学的优势，更好地培养计算思维。

（2）任务驱动教学模式的应用研究

任务驱动式教学强调把教学内容与任务相结合起来，以学习者为中心，学生通过完成任务学习知识。牟琴等[19]通过将任务驱动式教学和教学模式的特点相结合，构建了基于计算思维的任务驱动式教学模型，在整个任务进行过程中，教师要用计算思维的方法去指导学生，学生要用计算思维的方法和思想去完成任务。基于计算思维的任务驱动教学模型，可以用在任何学科的教学过程中，能够更好地实现因材施教。

（3）问题教学模式的应用研究

李贤阳等[20]构建了基于计算思维的问题导学型教学模式，把教师和学生以问题的形式连接起来。张蕾[21]提出面向计算思维的问题学习（WPBL）教学模式及其数学模型，并利用网络平台对教学过程给予指导和把握。两种模式的共同点是教师基于计算思维的方法、思想提出合理的问题，同时用计算思维的方法来指导学生，培养学生用正确的态度回答问题，计算思维贯穿于整个问答环节。而WPBL教学模式又比传统课堂的问题教学更依赖于技术平台，让学生在回答问题的同时锻炼了学生的技术应用能力，培养了学生的计算思维。

（4）游戏类教学模式的应用研究

对于学生来说，轻游戏可以成功吸引学生的注意力，增加学生的学习兴趣。牟琴[22]构建了程序设计课程教学中“轻游戏”对计算思维能力培养的教学模型。曾夏玲[23]针对职业教育计算机教学中存在的问题，设计了基于计算思维能力培养的“轻游戏”教学模式，并通过“汉诺塔游戏”和“猜数游戏”案例论证了模式的有效性。基于数字游戏学习理论（DGBL），张学军等[24]提出了Python 课程中数字游戏教学的教学模式，以培养高中生的计算思维。并以“打飞机”游戏进行了案例研究，提出该模型的应用能提高高中生对于计算思维的态度。

研究发现目前的几类培养模式模型中，大多数采用的研究方法为实验研究法，都是通过在具体的情境中进行实验，从而论证模型的有效性。可见，多样化的教学模式只有遵循计算思维培养的本质才可以达成培养目的。

5.3 编程工具研究

编程工具的有效使用可以促进计算思维的培养。根据资源的类型大致可以划分为以下2类：

（1）图形化编程工具类的应用研究

随着技术的发展，多种的图形化编程工具被研发出来，图形化编程工具比起传统的文本编程工具，具有直观性、趣味性、可理解性等特点。傅骞等[25]基于北京师范大学米思齐团队开发的Mixly for microPython 图形化编程工具进行实验研究，结果发现图形化编程工具能有效培养学生的计算思维，从而促进学生完成更具有创新性的作品。宁可等[26]为探究在信息技术课堂中使用APP Inventor 教学，是否促进了学生计算思维能力培养，提升了学生课程学习兴趣。郁晓华等[27]同样是借助APP Inventor 工具，以“避障”游戏项目展开研究，发现学生在计算思维概念、问题解决方面都有提升。基于Scratch 展开教学活动现在已成为当下流行趋势，孙立会等[28]设计了基于Scratch 的游戏化计算思维教学流程，培养学生的计算思维。

（2）传统编程工具类的应用研究

李志文[29]基于JAVA 实验平台进行计算思维能力培养，让学生通过动脑和动手学习程序设计和计算机基础知识，利用计算思维训练，掌握计算机各种知识。通过两年的改革，学校药学专业和预防医学专业学生的计算思维能力培养取得了很好的效果。

传统编程工具和图形化编程工具的使用都能够有效地促进学生计算思维的培养。传统编程工具的难度较大，较为适合有一定编程基础的学生学习。而图形化编程由于其形象化、趣味化的特点，受到小学生的欢迎。

5.4 套装设备研究

在近些年的计算思维培养中，涌现出许多新颖的编程套件，受到了广大学习者的欢迎。目前实体的套装设备有两种类型。

（1）实体编程类的应用研究

实体编程是基于真实世界的物化编程方法，为儿童之后适应图形化编程提供过渡。目前常用的实体编程工具有KIBO、Cubetto、Mabot、Aieggy、Botley、Matatalab、KUBO 等，各种实体编程工具都具有其不同特征与功能。

（2）不插电编程类的应用研究

不插电编程过程中脱离了计算机的限制，教师可以使用卡片、绳子、笔等工具或是游戏等一系列有逻辑的活动或任务来展现编程的思维。

实体编程类设备和不插电编程类设备的适用人群为低龄儿童，对于低龄儿童来说长时间接触电子设备和屏幕，会对视力造成一定的损伤。而套装设备的使用可以有效解决这一问题，把编程实体化，儿童不再需要代码和屏幕也可以培养和锻炼计算思维。

5.5 辅助资源研究

在培养计算思维的过程中，适当利用辅助资源可以促进计算思维的培养。主要可分为以下3类：

（1）微课资源类的应用研究

作为一种教学资源，微课得到了广泛的应用。庄小云[30]提出使用微课来培养学生的计算思维。王海艳等[31]近些年把微课教学模式与计算思维联系起来，并在南京邮电大学展开研究，目前研究已取得显著成效。微课是一种方便、快捷的资源，通过使用微课作为辅助资源来培养计算思维，能提升计算思维培养的效率。

（2）资源网站类的应用研究

随着技术的飞速发展，各类资源和网站层出不穷。高敬阳等[32]提出可以针对学生提供不同的教学内容，并把归类形成的教学资源放在资源网站，便于学生获取资源。同时资源网站可以提供自主答疑，学生可以通过网站资源得到自己想要的答案。

（3）流程图类的应用研究

郁晓华等[33]用流程图形式化抽象的计算思维过程，从而清晰地展示了有效解决问题的详细分解和过程演绎。流程图可用作评估工具考察学习者解决问题的思维过程，同时使用流程图组织学生进行实验，实验结果初步显示，学生的计算思维在流程图的支持下得到了有效提升。

学会恰当运用微课资源类、资源网站类、流程图类等辅助资源，可以激发学生的学习兴趣，有效促进计算思维的培养。并且随着技术的推陈出新，将会有更多的辅助资源产生并应用于计算思维的培养中。

6 计算思维培养的建议

6.1 充实计算思维培养的研究团队，带动基础教育教师参与研究工作

研究分析发现计算思维的研究者团队，大多都集中在高等教育领域，而高等教育领域的学者存在对基础教育的学情把握不准确和研究缺乏实践检验的问题。基础教育教师扎根教学一线、了解课堂、熟悉学情，所以高校研究者应该带动基础教育教师开展合作研究，使得计算思维的培养研究既有理论依据又有实践检验，这样的研究可供参考性也更强。同时，新时代的教师也要意识到提升自己的教师素养，不仅需要教学，同时也要学会进行教学研究。

6.2 拓宽计算思维培养的研究领域，加强各学科与计算思维培养的融合

涉及如何培养学生计算思维最多的学科就是计算机相关学科。近些年科技发展速度加快，各种新科技层出不穷，计算机学科可以说与国家未来的发展紧密相连，在计算机学科中强调计算思维的培养是十分重要的。但是其他学科也是不可忽略的，我们需要认识到，计算思维并不只是计算机教育的专属，它是具有普适性的，它可以与任何学科、任何专业相联系起来。将计算思维培养与各专业、各学科融合起来，在学习各学科知识的过程中，同时培养计算思维。

6.3 拓展计算思维培养的研究范围，注重计算思维的培养全面落实

计算思维的培养主要集中在高等教育阶段，基础教育阶段和幼儿阶段的关注度也比较高，但职业教育阶段、特殊教育阶段的研究却很少。已有研究在幼儿阶段培养计算思维，这是一个突破，幼儿阶段对孩子进行较早的锻炼，让幼儿在生长早期就接触到计算思维，为后续的发展奠定一个基础。而基础教育阶段是知识增长的关键时期，也是人精神最饱满的时期，计算思维的培养可以充分促进学生创新能力的提升以及创新人才的培养。因此，基础教育阶段的计算思维培养是十分重要的。职业教育是以培养学生的各种实用技能为目的的教育。而计算思维作为智能时代的重要思维方式，可以让职业院校学生用现代化的思维、方法、态度去考虑问题，解决问题。所以，职业教育中对于学生计算思维培养也是不可或缺的。特殊教育一直是我国备受关注的团体，牟远明[34]提出针对计算机基础教学改革中对高职听障生进行计算思维的培养，使听障生在现实生活中学会计算机基本操作技能的同时，初步具备以计算思维进行问题思考求解的能力，为后续的特殊教育中计算思维培养研究提供了参考。

6.4 充实计算思维培养的研究内容，汇聚计算思维培养的参考案例

各种与编程有关的软件、平台近些年都纷纷涌现出来。这些软件和平台都各有优势，那么如何基于各种软件和平台为计算思维的培养提供帮助，还需要进行大量的研究。目前，有关计算思维模型的研究主要集中在实验研究方法。那么可否加入更多的研究方法，来确保研究的多样性、可靠性、准确性。资源网站、流程图、微课资源可支持计算思维的培养，但是与之相关的计算思维培养研究还不是很多。总之，计算思维的培养研究还有待从研究方法、研究场域、研究对象等方面充实研究内容。

7 结语

计算思维培养是当前有关计算思维的热点之一。目前，我国计算思维的培养已处于快速发展阶段，但是在研究过程中还是存在着许多的问题，在现今科技飞速发展的阶段，如何做好计算思维的培养工作，还需要进一步的研究和探讨。