計算思維研究進展與可視化分析

1、 計算思維研究進展與可視化分析 呂春燕 傅鋼善摘 要：計算思維以其獨特的思維模式、系統(tǒng)的設(shè)計觀、普適的能力理念在問題解決中的作用和價值日益凸顯，因此引起了國內(nèi)外學(xué)者的深度關(guān)注和探索。本研究以中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中計算思維相關(guān)主題文章為樣本數(shù)據(jù)，以Keys聚類分析、社會網(wǎng)絡(luò)分析、多維尺度分析為研究方法，分別采用Bicomb 2.0、Unicet 6.0、SPSS 21.0對數(shù)據(jù)進行定量分析。研究結(jié)果顯示，目前國內(nèi)計算思維研究熱點主要集中在以下四方面：美國計算機科學(xué)的發(fā)展動態(tài)及對我國的啟示，信息技術(shù)、人工智能、編程教育等學(xué)科中核心素養(yǎng)的養(yǎng)成，基于計算思維的計算機基礎(chǔ)教學(xué)改革與實踐、教學(xué)模式與方法、課程體

2、系及能力培養(yǎng)，大學(xué)計算機以及非計算機專業(yè)慕課、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)模式的探索與實踐。文章對未來計算思維研究方向提出如下建議：增強計算思維理論研究，豐富計算思維評價研究，開展計算思維教學(xué)能力研究，注重計算思維一體化規(guī)劃研究。Keys：計算思維;計算機科學(xué);信息技術(shù);可視化分析G40-058 ：A ：1673-8454（2019）05-0008-05一、研究背景2006年美國計算機科學(xué)家周以真教授（Jeannette M.Wing）1在計算機權(quán)威刊物Communications of the ACM上發(fā)表Computational Thinking一文，認(rèn)為計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解

3、、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等一系列思維活動。隨后計算思維以其獨特的思維模式、系統(tǒng)的設(shè)計觀、普適的能力理念在問題解決中的作用和價值日益凸顯，再次引起了國內(nèi)外各界學(xué)者的極大關(guān)注。計算思維被認(rèn)為是信息時代每個人都應(yīng)具備的技能之一，應(yīng)該像讀、寫、算一樣并入學(xué)生的各個學(xué)習(xí)階段。各個國家也高度重視計算思維教育，提出了一系列教育改革措施。如英國2014年發(fā)布針對小學(xué)計算課程的計算思維框架。2美國2016年“Computer Science for All”計劃指出要讓K12階段的所有美國學(xué)生都掌握計算思維。3我國2017年普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出將計算思維作為學(xué)生重要的信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)。計算思維

4、培養(yǎng)已成為世界各國教育發(fā)展的趨勢之一，并主要體現(xiàn)在信息技術(shù)、計算機科學(xué)、人工智能等學(xué)科中。盡管計算思維研究在近年來得到進一步發(fā)展并引起廣泛重視，然而關(guān)于其研究熱點和趨勢尚不清晰。為了更好地把握計算思維的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢并使其與教育有效結(jié)合，有必要厘清其研究脈絡(luò)，以期為計算思維的后續(xù)研究提供參考。二、數(shù)據(jù)來源與研究方法1.數(shù)據(jù)采集與清洗在中國知網(wǎng)（CNKI）論文數(shù)據(jù)庫，以“計算思維”為主題詞進行檢索，檢索作者、時間跨度不限定，期刊來源限定為SCI、EI、CSSCI以及中文核心期刊，初步檢索共計236篇文獻，經(jīng)文獻閱讀，剔除會議通知、征稿啟事等非研究性文獻14篇以及與文章主題相關(guān)度較低的量子計算

5、思維、云計算思維、歷史計算思維、大腦計算思維方式等文獻6篇后，最終獲得有效文獻216篇。2.研究方法和工具在研究方法上主要采用共詞聚類分析、社會網(wǎng)絡(luò)分析、多維尺度分析等對文獻內(nèi)容進行定量分析。在研究工具方面，分別采用Bicomb 2.0、Unicet 6.0、SPSS 21.0對數(shù)據(jù)進行處理。其中Bicomb 2.0用于提取高頻Keys和構(gòu)建共詞矩陣;Ucinet 6.0用于繪制二維社會網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖譜;SPSS 21.0用于高頻Keys聚類和多維尺度分析，從而獲得國內(nèi)計算思維研究領(lǐng)域的基本結(jié)構(gòu)。3.研究過程研究過程包括以下六個方面：從中國知網(wǎng)中下載NoteFirst格式的相關(guān)文獻題錄數(shù)據(jù);利用書

6、目共現(xiàn)分析系統(tǒng)Bicomb 2.0提取Keys和共詞矩陣;利用社會網(wǎng)絡(luò)分析軟件Unicet 6.0中嵌套的Net Draw繪制Keys網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖譜;利用Excel 2013進一步得到Keys的相關(guān)矩陣和相異矩陣;在此基礎(chǔ)上利用SPSS對Keys相異矩陣進行聚類分析和多維尺度分析，繪制計算思維聚類樹狀圖和多維尺度分析圖，并對每一類命名。依據(jù)分析結(jié)果探討計算思維的研究熱點以及研究趨勢。三、研究結(jié)果分析1.文獻發(fā)表年度分析以時間為單位，縱向統(tǒng)計某領(lǐng)域發(fā)文數(shù)量能在一定程度上反映該領(lǐng)域的研究起源以及發(fā)展速度。如圖1所示，20052018年間國內(nèi)共發(fā)表計算思維相關(guān)文獻216篇，總體上呈緩慢上升趨勢，201

7、4年增長幅度相對較大。其中2005年蔣宗禮等4發(fā)表的談高水平計算機人才的培養(yǎng)一文中就提到計算思維在計算機學(xué)科中的重要性，說明我國在2006年以前就有學(xué)者在關(guān)注計算思維，只不過沒有達到理論的高度。以上數(shù)據(jù)表明計算思維一直受到研究者的關(guān)注，發(fā)展速度在未來一段時間里會持續(xù)上升。此外，透過多項式指數(shù)趨勢線和決定系數(shù)=0.776，預(yù)計未來計算思維文獻數(shù)量將持續(xù)增多。2.計算思維研究詞頻分析（1）高頻Keys分析高頻Keys能夠揭示文章主題的核心信息，在一定時期內(nèi)Keys的集合有助于確定該領(lǐng)域的熱點前沿及發(fā)展趨勢。運用書目共現(xiàn)分析系統(tǒng)Bicomb2.0提取出Keys839個，在統(tǒng)計過程中合并了意義相近的詞

8、，如：“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”、“大學(xué)計算機課程”合并為“大學(xué)計算機”，“信息技術(shù)學(xué)科”、“信息技術(shù)課程”、“信息技術(shù)教育”合并為“信息技術(shù)教育”等。選擇頻次4的Keys為高頻Keys，最終確定29個Keys作為該研究的高頻Keys，如表1所示。除去“計算思維”主題檢索詞外，排名靠前的高頻Keys有大學(xué)計算機（38次）、信息技術(shù)教育（27次）、計算機基礎(chǔ)教學(xué)（23次）、教學(xué)改革（19次）、程序設(shè)計（10次）等，這些高頻Keys基本反映了計算思維研究的現(xiàn)狀和特征。（2）共詞矩陣分析在上述Keys提取的基礎(chǔ)上，在Bicomb2.0中生成2929的Keys共現(xiàn)矩陣，導(dǎo)入SPSS中利用相關(guān)分析生成相似矩陣，

9、在Excel中用“1-相似矩陣=相異矩陣”的方法得到相異矩陣（見表2）。相異矩陣中，數(shù)值越小表示兩個Keys之間的關(guān)聯(lián)程度越大。表2顯示國內(nèi)與計算思維緊密相關(guān)的依次是大學(xué)計算機（0.226）、教學(xué)改革（0.275）、計算機基礎(chǔ)教學(xué)（0.277）、程序設(shè)計（0.301）、教學(xué)模式（0.329）、教學(xué)方法（0.329）、抽象（0.334）等。其中大學(xué)計算機與計算思維關(guān)系最為密切，說明國內(nèi)對高等教育計算機課程與計算思維的研究較多。（3）社會網(wǎng)絡(luò)分析為進一步研究國內(nèi)“計算思維”研究熱點的內(nèi)部關(guān)系特征，將高頻Keys共現(xiàn)矩陣導(dǎo)入Ucinet 6.0中對數(shù)據(jù)進行可視化分析，形成高頻Keys共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜，如

10、圖2所示。從節(jié)點大小上來看，除“計算思維”外，“大學(xué)計算機”這一高頻Keys節(jié)點最大，具有較強的控制其他Keys的能力，在計算思維培養(yǎng)過程中扮演著非常重要的角色。此外“教學(xué)改革”、“計算機基礎(chǔ)教學(xué)”、“信息技術(shù)教育”節(jié)點也相對較大，是國內(nèi)計算思維研究的熱點。從節(jié)點連線距離看，“計算機基礎(chǔ)教學(xué)”、“教學(xué)改革”與“計算思維”距離最近，連線也較粗，說明它們之間聯(lián)系最緊密。從整個網(wǎng)絡(luò)看，未來研究計算機教育、信息技術(shù)教育仍然是計算思維研究的主陣地，而圍繞計算思維所進行的教學(xué)改革將持續(xù)進行。四、計算思維研究熱點分析為了進一步探析國內(nèi)計算思維研究領(lǐng)域的主題結(jié)構(gòu)，將相異矩陣導(dǎo)入SPSS 中，運用離差平方和（w

11、ard）聚類統(tǒng)計分析方法，得到計算思維主題分層聚類圖（見圖3）。根據(jù)聚類結(jié)果，筆者將國內(nèi)計算思維研究分為以下四個研究結(jié)果。1.美國計算機科學(xué)的發(fā)展動態(tài)及對我國的啟示該主題包括三個Keys計算機科學(xué)、美國、計算思維能力。研究內(nèi)容主要是對美國K-12計算機科學(xué)框架的解讀分析、5計算機科學(xué)課程的國際比較研究以及政策建議、6美國中小學(xué)計算機科學(xué)發(fā)展新動向7等。由此得出對我國的啟示：要注重培養(yǎng)學(xué)生以抽象、自動、分析為重點的問題解決方法，8使學(xué)生成為計算思維者;9向全學(xué)段學(xué)生普及計算機科學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生有道德、負(fù)責(zé)任地參與信息社會10等。2.信息技術(shù)、人工智能、編程教育等學(xué)科中核心素養(yǎng)的養(yǎng)成該主題包括信息技術(shù)

12、教育、人工智能、編程教育、App Inventor、核心素養(yǎng)、信息素養(yǎng)、問題解決等7個Keys。研究主要集中于信息技術(shù)、中小學(xué)人工智能以及編程教育等學(xué)科中課程核心素養(yǎng)或信息素養(yǎng)的框架及內(nèi)容構(gòu)成、11校本課程的開發(fā)與實踐、12基于App Inventor這款手機編程工具的教學(xué)研究、13基于這些課程的核心素養(yǎng)或信息素養(yǎng)的培養(yǎng)等，以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中體驗和了解非結(jié)構(gòu)化以及半結(jié)構(gòu)化問題的解決過程，培養(yǎng)其多種思維方式。143.基于計算思維的計算機基礎(chǔ)教學(xué)改革與實踐、教學(xué)模式與方法、課程體系及能力培養(yǎng)該主題包括計算思維、計算機基礎(chǔ)教學(xué)、教學(xué)改革、教學(xué)實踐、教學(xué)模式、教學(xué)方法、課程體系、能力培養(yǎng)、抽象等14個K

13、eys。由于計算思維的提出明確了計算機基礎(chǔ)教育改革的目標(biāo)和方向，因此該主題也成為國內(nèi)計算思維研究的主要領(lǐng)域，且大部分研究是圍繞計算思維在高等教育中的教學(xué)實踐展開的。從教學(xué)改革策略上看主要有方法推動式15（即讓學(xué)生在潛移默化中掌握計算思維）、內(nèi)容重組式16（以計算思維為主線對計算學(xué)科中已有的核心知識點和教學(xué)內(nèi)容進行重新組織）、全面更新式（逐步推動以及內(nèi)容重組相結(jié)合）三種。從教學(xué)改革模式構(gòu)建上看主要有基于計算思維的探究式教學(xué)模式17、網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)模式18、任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式19、WPBL教學(xué)模式20以及輕游戲教學(xué)模式21和問題引導(dǎo)式教學(xué)模式22等。從教學(xué)改革效果來看，大多數(shù)研究通過準(zhǔn)實驗和問卷調(diào)查等

14、方法證明了課程體系改革的有效性，比如課程受到學(xué)生的熱烈歡迎，選課人數(shù)急劇增加、經(jīng)過培訓(xùn)學(xué)生獲得了多項國際計算機競賽獎、得到了同行的積極響應(yīng)等。234.大學(xué)計算機以及非計算機專業(yè)慕課、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)模式的探索與實踐該主題包括大學(xué)計算機、慕課、翻轉(zhuǎn)課堂、課程改革、非計算機專業(yè)5個Keys。主要研究計算思維導(dǎo)向下，如何利用和融合MOOC、SPOC、翻轉(zhuǎn)課堂等新型教學(xué)模式來促進大學(xué)計算機以及非計算機專業(yè)學(xué)生有意識地利用計算思維進行問題求解，24實現(xiàn)大學(xué)生計算思維能力的創(chuàng)新培養(yǎng)以及均衡發(fā)展。研究充分考慮了計算機專業(yè)和非計算機專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)計算機課程時的不同，并指出計算思維問題不僅只局限于理科專業(yè)，在文科

15、專業(yè)的教學(xué)中也可進行計算思維能力的培養(yǎng)。25五、計算思維研究趨勢討論為進一步確定各研究主題和各Keys之間的相對位置，運用歐式距離（Euclidean）法對相異矩陣進行多維尺度分析，生成計算思維多維尺度分析圖譜，如圖4所示?？梢钥闯觯挥诘谝幌笙薜念I(lǐng)域三距離坐標(biāo)中心最近，密度最大，說明領(lǐng)域三內(nèi)部Keys之間以及與其他領(lǐng)域之間的聯(lián)系均比較緊密，是目前計算思維研究的熱點，未來還將進一步圍繞計算思維的本質(zhì)、計算學(xué)科的教學(xué)模式和教學(xué)方法等展開研究。位于第二、三象限的領(lǐng)域二與領(lǐng)域三相比，密度和向心度稍低，其中問題解決和信息素養(yǎng)距離中心較近，因此計算思維、問題解決、信息素養(yǎng)三者之間的關(guān)系仍然是未來研究的重

16、要取向。位于第三象限的領(lǐng)域一處于相對比較偏遠(yuǎn)的位置，研究主題狹窄，未來研究的廣度和深度有待進一步深化。位于第三、四象限的領(lǐng)域四距離中心較遠(yuǎn)，但慕課、翻轉(zhuǎn)課堂、課程改革三者聯(lián)系緊密，仍是研究熱點。且領(lǐng)域三和領(lǐng)域四距離較近，未來的研究中或許會走向融合?，F(xiàn)結(jié)合以上討論以及國外計算思維研究進展對我國計算思維未來的發(fā)展趨勢及方向提出建議。1.增強計算思維理論研究目前我國計算思維理論層面的研究還停留在對國外相關(guān)計算思維的起源、概念、含義、本質(zhì)等的介紹層面。主要是對國外周以真教授、國際教育技術(shù)協(xié)會（ISTE）和美國計算機科學(xué)教師協(xié)會（CSTA）所提出的計算思維的概念進行解讀。通常認(rèn)為計算思維是一種問題解決的

17、過程，主要包括問題的表述、數(shù)據(jù)的組織和分析、數(shù)據(jù)的抽象模擬、基于算法思想的解決方案、分析與實施方案、方案的遷移26等步驟。而國內(nèi)只有極少數(shù)學(xué)者對計算思維的概念、內(nèi)涵、外延給出了自己的定義，如張立國等（2018）指出計算思維是使用科學(xué)工具進行抽象模擬以尋求問題解決最優(yōu)化方案的系統(tǒng)過程。27準(zhǔn)確界定計算思維內(nèi)涵與外延關(guān)乎計算思維發(fā)展與培養(yǎng)能否成功，所以未來研究中要進一步加強計算思維理論層面的研究。2.豐富計算思維評價研究目前國內(nèi)關(guān)于學(xué)生計算思維能力的實證研究大部分是在特定學(xué)科如信息技術(shù)、計算機課程中完成的，包括教學(xué)模式設(shè)計和探索性嘗試。通過設(shè)計對照試驗，在一段時間的教學(xué)干預(yù)后對學(xué)生實驗前和實驗后的

18、計算思維測量結(jié)果進行對比。測量內(nèi)容大部分集中于學(xué)生計算機的應(yīng)用能力、學(xué)生對計算思維的理解、學(xué)生課堂上的表現(xiàn)以及學(xué)生對學(xué)習(xí)結(jié)果滿意度等方面，測量內(nèi)容不全面且可信度較低。而國外計算思維測量方式多元化，主要包括教育活動實施中的評價（例如一般編程問題的測試、畫流程圖、反思自評報告等）和計算思維測量測試平臺28，此外已經(jīng)開發(fā)出信度和效度均較高的計算思維測量量表且投入應(yīng)用。計算思維評價研究的內(nèi)容未來還要進一步豐富，提高實效。3.開展計算思維教學(xué)能力研究計算思維作為一種分析和解決問題的方法，它的發(fā)展歷史是悠久的，但又是嶄新的，對于師生來說它是一種新興的思維模式?！疤嵘龑W(xué)生的計算思維，教師是關(guān)鍵”29，所以如

19、何對教師進行計算思維教學(xué)能力的相關(guān)培訓(xùn)以使其更好地服務(wù)于教學(xué)就顯得至關(guān)重要。我國國務(wù)院于2018年2月5號印發(fā)關(guān)于全面深化新時代教師隊伍建設(shè)改革的意見（中央4號文件）更是提到教師是教育發(fā)展的第一資源，并決定開展教師隊伍建設(shè)全面調(diào)研工作。可見未來針對教師計算思維教學(xué)能力的研究將是該領(lǐng)域的一大趨勢。4.注重計算思維一體化規(guī)劃研究計算思維作為21世紀(jì)人人都要掌握的基本能力之一，具有普適性的價值理念。計算思維并不是計算機專業(yè)學(xué)生的“專利”，非計算機專業(yè)的學(xué)生也要學(xué)會用“抽象”的思維方式來解決問題。計算思維也不是大學(xué)生的“獨權(quán)”，K12階段的孩子同樣要重視運用這種思維方式來理解信息社會和自然。因此未來要

20、繼續(xù)加強非計算機專業(yè)學(xué)生計算思維培養(yǎng)的研究以及如何將計算思維貫穿到人文社科類學(xué)科中。此外，特別要注重計算思維培養(yǎng)的一體化規(guī)劃，使各學(xué)段計算思維相關(guān)的課程標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)容有清晰的層次性和銜接性，以實現(xiàn)基礎(chǔ)教育和大學(xué)教育計算思維培養(yǎng)的全覆蓋、均衡化、系統(tǒng)化。六、結(jié)束語計算思維作為信息時代的產(chǎn)物，利用其思維模式來引導(dǎo)人們清晰地了解信息社會、積極地參與信息社會，并負(fù)責(zé)任地應(yīng)對信息社會帶來的一系列沖擊和挑戰(zhàn)顯得至關(guān)重要。我國計算思維的研究目前還處于起步階段，其研究的廣度和深度有待進一步加強，尤其是如何將計算思維深度貫穿于學(xué)生整個學(xué)習(xí)過程將是未來計算思維研究的核心內(nèi)容。Reference：1Jeannette

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