基于知識圖譜的計(jì)算思維研究熱點(diǎn)與趨勢分析

1、 基于知識圖譜的計(jì)算思維研究熱點(diǎn)與趨勢分析 田治何仁生蔡孟秋SummarySummary：計(jì)算思維已成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)領(lǐng)域與教育領(lǐng)域關(guān)注的一個熱點(diǎn)。以中國期刊網(wǎng)全文數(shù)據(jù)庫作為文獻(xiàn)來源，以Key包含“計(jì)算思維”的核心期刊論文為主要研究對象，共得到文獻(xiàn)214篇。通過系統(tǒng)聚類分析與多維尺度分析可知，在我國計(jì)算思維研究熱點(diǎn)中主要圍繞四大主題展開：計(jì)算思維理論研究、計(jì)算思維與學(xué)科課程研究、計(jì)算思維導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)課程改革研究、基于計(jì)算思維的教學(xué)模式研究。未來需要積極開展計(jì)算思維培養(yǎng)體系研究、計(jì)算思維培養(yǎng)模式研究、計(jì)算思維評價體系與實(shí)證研究及計(jì)算思維促進(jìn)創(chuàng)新能力培養(yǎng)策略研究。KeyKey：計(jì)算思維；計(jì)算機(jī)學(xué)科；計(jì)

2、算機(jī)教育；研究綜述DOIDOI：10.11907/rjdk.173352：TP301：A：16727800（2018）009000904英文標(biāo)題The Research Hotspot and Trend Analysis of Computational Thinking Based on Knowledge Atlas副標(biāo)題英文作者TIAN Zhi， HE Rensheng， CAI Mengqiu英文作者單位（School of Physics and Electronics，Hunan University，Changsha 410000，China）英文SummaryAbstract

3、：Computational thinking has become a hotspot in the field of computer science and education. This article takes the China National Knowldge Infrastructure database as the literature source， and the papers with the key words of computational thinking from core journals as main research objects， by wh

4、ich 214 papers are obtained. It is concluded from the system cluster analysis and multidimensional scale analysis that the research focus of computational thinking in China focuses on four main themes covering computational thinking theory research， computational thinking and subject curriculum rese

5、arch， computer curriculum reform research based on computational thinking， and teaching model research on computational thinking. It is pointed out in the future the following research need to be carried out actively including research on the training system of computational thinking， research on th

6、e training mode of computational thinking， the evaluation system and empirical research of computational thinking， and the strategy of fostering innovative ability by computational thinking.英文KeyKey Words：computational thinking； computer science； computer education； research overview0引言2006年美國卡內(nèi)基梅隆大

7、學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真（Jeannette M.Wing）教授1在COMMUNICATIONS OF THE ACM上發(fā)表了Computational Thinking論文。之后，計(jì)算思維概念得到了國內(nèi)外各界學(xué)者的廣泛研究與探討。目前，計(jì)算思維已經(jīng)成為我國計(jì)算機(jī)教育的重點(diǎn)研究課題。2010年九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明發(fā)布，明確指出計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生的“計(jì)算思維”能力2。2012年教育部高教司批準(zhǔn)設(shè)立了22個以計(jì)算思維為切入點(diǎn)的大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革項(xiàng)目。2016年高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)修訂將計(jì)算思維作為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一3。計(jì)算思維研究成為各個教育階段關(guān)注

8、重點(diǎn)。本文利用計(jì)算思維研究熱點(diǎn)知識圖譜，結(jié)合定量分析與定性分析兩種方式，分析計(jì)算思維研究熱點(diǎn)與發(fā)展趨勢。這將為深入認(rèn)識計(jì)算思維內(nèi)涵，認(rèn)清與把握今后計(jì)算思維的發(fā)展趨勢提供有力支持。1研究設(shè)計(jì)1.1樣本來源與數(shù)據(jù)選擇本文以中國期刊網(wǎng)全文數(shù)據(jù)庫（CNKI）作為文獻(xiàn)來源，論文檢索期刊限定為CSSCI來源期刊與中文核心期刊。以Key“計(jì)算思維”為檢索條件，檢索截止日期設(shè)為2017年12月8日，共檢索到文獻(xiàn)249篇，除去非直接相關(guān)文獻(xiàn)，共得到有效文獻(xiàn)214篇。1.2數(shù)據(jù)分析方法與工具本文采用一般計(jì)量分析、共現(xiàn)分析、聚類分析、多維尺度分析等數(shù)據(jù)分析方法，得到可視化知識圖譜，展現(xiàn)出計(jì)算思維研究熱點(diǎn)與趨勢。數(shù)據(jù)

9、分析工具為文獻(xiàn)題錄信息統(tǒng)計(jì)分析工具SATI3.2與統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 20.0，研究過程有數(shù)據(jù)獲取、共詞分析、知識圖譜分析3個階段，具體過程如圖1所示。2研究結(jié)果與分析2.1高頻Key分析本文應(yīng)用SATI3.2軟件提取樣本文獻(xiàn)Key，將詞頻大于3的Key確定為研究高頻Key，整理得到26個高頻Key，高頻Key出現(xiàn)的頻率累計(jì)為3024%，達(dá)到知識圖譜規(guī)定的分析標(biāo)準(zhǔn)值。Key具體情況如表1所示。Key作為文章內(nèi)容標(biāo)簽，可以在很大程度上反映文章核心內(nèi)容，因此高頻Key反映了某個研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由表1可知，頻次大于或等于8從高到低依次為計(jì)算思維、教學(xué)改革、大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)、大學(xué)計(jì)

10、算機(jī)、教學(xué)模式、信息技術(shù)課程、程序設(shè)計(jì)、能力培養(yǎng)、信息技術(shù)。這些高頻Key涉及教學(xué)改革、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)、信息技術(shù)課程等多個方面，由此可以看出計(jì)算思維的提出，引發(fā)了大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)改革、高中信息技術(shù)課程改革、學(xué)生能力培養(yǎng)等多方面的研究?？傊?，計(jì)算思維在大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)方面的研究應(yīng)用最為廣泛。計(jì)算思維研究熱點(diǎn)不僅體現(xiàn)在Key出現(xiàn)的頻次上，還體現(xiàn)在Key之間的關(guān)系上。本文利用SATI軟件生成了高頻Key相異矩陣（2727），如表2所示。相異矩陣中數(shù)值越接近1，表明兩個Key之間距離越遠(yuǎn)，相似度越??；數(shù)值越接近0，表明兩個Key距離越近，相似度越大。從完整的Key相異矩陣進(jìn)行分析，距離較近的Key有計(jì)算思

11、維與程序設(shè)計(jì)（0.947 4）、大學(xué)計(jì)算機(jī)與非計(jì)算機(jī)專業(yè)（0.82）、大學(xué)計(jì)算機(jī)與課程改革（0.871 4）、信息技術(shù)課程與核心素養(yǎng)（0.911 1）、課程改革與信息素養(yǎng)（0.857 1）、美國與計(jì)算機(jī)科學(xué)（0.857 1）等，以上數(shù)據(jù)在一定程度上反映了計(jì)算思維研究熱點(diǎn)。2.2高頻Key聚類分析Key聚類分析是指把關(guān)系密切的Key聚在一起，形成類團(tuán)，使類團(tuán)內(nèi)相似性最大，類團(tuán)間相似性最小。將STAI產(chǎn)生的高頻Key矩陣（2727）導(dǎo)入 SPSS20.0 中進(jìn)行聚類分析，得到高頻Key聚類如圖2所示。2.3多維尺度分析多維尺度分析法是一種將多維空間的研究對象簡化到低維空間進(jìn)行定位、分析與歸類，同時

12、保留研究對象間原始關(guān)系的數(shù)據(jù)分析方法4。采用SPSS 22.0進(jìn)行多維尺度分析，采用Euclidean距離模型生成計(jì)算思維研究知識圖譜。如圖3所示，本文根據(jù)知識圖譜將計(jì)算思維研究分為4個領(lǐng)域。2.4研究熱點(diǎn)分析通過聚類分析與多維尺度分析，可將我國計(jì)算思維研究熱點(diǎn)概括為以下4個方面：（1）計(jì)算思維理論研究。涉及的Key有大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)、計(jì)算學(xué)科、能力培養(yǎng)、教學(xué)改革與實(shí)踐教學(xué)等。這些Key都與計(jì)算機(jī)學(xué)科有關(guān)，計(jì)算思維是計(jì)算機(jī)學(xué)科思維，是計(jì)算機(jī)學(xué)科區(qū)別其它學(xué)科的依據(jù)之一，計(jì)算思維能力是計(jì)算機(jī)人才必備的一項(xiàng)能力。研究學(xué)科思維可以促進(jìn)學(xué)科發(fā)展，在計(jì)算思維前期研究階段，研究內(nèi)容主要集中在計(jì)

13、算思維內(nèi)涵、特點(diǎn)等方面。國內(nèi)外廣泛認(rèn)同的計(jì)算思維定義來自周以真（Jeannette Wing）教授，他將計(jì)算思維定義為運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)的一系列思維活動。國內(nèi)很多關(guān)于計(jì)算思維的定義都是在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。例如，董榮勝5將周以真教授定義中的“基礎(chǔ)概念”更改為“思想與方法”，從計(jì)算機(jī)方法論角度定義計(jì)算思維5。同時，有研究者指出周以真教授關(guān)于計(jì)算思維的觀點(diǎn)具有一定局限性，不是經(jīng)過深入科學(xué)論證得到的結(jié)果。計(jì)算思維概念在學(xué)者之間還沒有達(dá)成共識，計(jì)算思維理論研究還將是研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。（2）計(jì)算思維與學(xué)科課程的聯(lián)系。涉及的Key有軟件工程、計(jì)算機(jī)課程

14、、計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算機(jī)人才、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)教育、核心素養(yǎng)與信息技術(shù)課程等。其Key涉及多方面、多領(lǐng)域，計(jì)算思維作為一種基本思維方式在各個學(xué)科中都有體現(xiàn)。目前研究主要集中在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程與高中信息技術(shù)課程，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維的培養(yǎng)是計(jì)算機(jī)學(xué)科的重要價值。戰(zhàn)德臣等6分析了當(dāng)前計(jì)算機(jī)教育存在的危機(jī)，提出危機(jī)應(yīng)對辦法。隨著新一輪信息技術(shù)課程改革，計(jì)算思維在高中階段引起了激烈討論。例如，張學(xué)軍等7采用大量案例，對高中信息技術(shù)課程中蘊(yùn)含的計(jì)算思維進(jìn)行細(xì)致分析，挖掘出各個模塊內(nèi)容中蘊(yùn)含的計(jì)算思維，為有效實(shí)施計(jì)算思維教育提供了保障。任友群等8闡述了計(jì)算思維進(jìn)入中小學(xué)信息技術(shù)教育的必要性與可行性

15、。（3）計(jì)算思維導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)課程改革。涉及的Key有抽象、課程體系、課程改革、大學(xué)計(jì)算機(jī)、非計(jì)算機(jī)專業(yè)與信息素養(yǎng)等。Key還包括計(jì)算機(jī)學(xué)科知識與課程改革方面，隨著計(jì)算機(jī)的逐漸普及，大學(xué)計(jì)算機(jī)教育只有改革才能在新形勢下繼續(xù)發(fā)展。劉貴松等9提出課程改革的頂層規(guī)劃，分析了計(jì)算機(jī)課程的總體教學(xué)目標(biāo)，探討了大學(xué)計(jì)算機(jī)系列課程有關(guān)改革措施。何明等10提出教學(xué)改革要從意識、思維方法與能力3個方面培養(yǎng)學(xué)員計(jì)算思維能力。馬憲敏11提出基于分層理念的計(jì)算機(jī)課程改革方案，課程內(nèi)容應(yīng)重點(diǎn)突出計(jì)算思維能力訓(xùn)練。戴振華等12在計(jì)算思維理論指導(dǎo)下，從課程教學(xué)目標(biāo)制定、教學(xué)內(nèi)容分配、教學(xué)組織實(shí)施等方面進(jìn)行了改革探索。（4）基

16、于計(jì)算思維的教學(xué)模式研究。涉及的Key有教學(xué)模式、實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)教育、程序設(shè)計(jì)與教學(xué)方法等。其將理論與實(shí)踐相結(jié)合，探討教育實(shí)踐。教學(xué)模式是圍繞特定教學(xué)目標(biāo)而形成的具有相對穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的理論化教學(xué)模型或范式，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者計(jì)算思維已成為計(jì)算機(jī)教育的目標(biāo)之一。李輝等13構(gòu)建了基于計(jì)算思維的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)“任務(wù)驅(qū)動式”教學(xué)模式，以培養(yǎng)學(xué)生綜合思維與職業(yè)能力。楊文正等14構(gòu)建了以計(jì)算思維為導(dǎo)向的混合教學(xué)模式，提出多元混合教學(xué)思路，并以“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程為例，提出多元混合教學(xué)應(yīng)用建議。韓秋楓15提出了基于計(jì)算思維的探究式教學(xué)模式。2.5研究趨勢分析為了準(zhǔn)確把握我國計(jì)算思維未來研究趨勢，根據(jù)上述熱點(diǎn)，進(jìn)行試探性討

17、論。需要指出的是：趨勢只代表著一種可能，它與事實(shí)之間還有一定距離。（1）計(jì)算思維培養(yǎng)體系研究。把握國關(guān)于計(jì)算思維培養(yǎng)的研究主要涉及大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程與高中信息技術(shù)課程。但是普通高中信息技術(shù)課程教學(xué)主要是培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)，中學(xué)與大學(xué)的培養(yǎng)是沒有聯(lián)系的，是分散的，這些都不利于學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)。加快面向計(jì)算思維的教學(xué)改革步伐，把計(jì)算思維的培養(yǎng)作為高中信息技術(shù)課程與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的核心學(xué)科素養(yǎng)。同時加強(qiáng)各學(xué)段各年級計(jì)算機(jī)科學(xué)教育間的連貫性，明確規(guī)劃從小學(xué)到高中到大學(xué)每一階段學(xué)生應(yīng)達(dá)到的目標(biāo)。只有各學(xué)段各年級統(tǒng)一規(guī)劃、聯(lián)合培養(yǎng)，才能使學(xué)生的計(jì)算思維能力與知識技能水平逐步提升。（2）計(jì)算思維培養(yǎng)途

18、徑研究。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與人工智能越來越普及，社會越來越重視人才的計(jì)算思維能力。僅依靠中學(xué)信息技術(shù)課程與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程培養(yǎng)大學(xué)生的計(jì)算思維能力是不夠的，有必要加強(qiáng)計(jì)算機(jī)思維的跨學(xué)科教育。在生命科學(xué)、自然科學(xué)、社會學(xué)科等眾多領(lǐng)域都應(yīng)該開展計(jì)算思維培養(yǎng)，但目前很多研究都只針對計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域，有一定的局限性。然而，各不同學(xué)科思維習(xí)慣不同，如何在跨學(xué)科的課堂中進(jìn)行計(jì)算思維培養(yǎng)，并將計(jì)算思維的培養(yǎng)與學(xué)科性質(zhì)及教學(xué)目標(biāo)相結(jié)合也有待研究。（3）計(jì)算思維評價體系與實(shí)證研究。從現(xiàn)有國內(nèi)外文獻(xiàn)來看，有很多關(guān)于計(jì)算思維概念的界定及教學(xué)實(shí)踐研究，但如何更有效地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，如何評價學(xué)生

19、的計(jì)算思維能力仍顯不足。隨著計(jì)算思維研究的進(jìn)一步深入，未來必然要建立計(jì)算思維評價體系，并進(jìn)行實(shí)證研究，探討計(jì)算思維的培養(yǎng)效果以及對學(xué)生發(fā)展的影響。（4）以計(jì)算思維促進(jìn)創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究。創(chuàng)新是時代的主題，創(chuàng)新能力是推動人類進(jìn)步的重要力量。近幾年隨著人工智能技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展，社會大環(huán)境變得越來越智能化。每個人都應(yīng)該對這些新技術(shù)背后的思維方式有所理解，每個國家都應(yīng)該有掌握這些技術(shù)的創(chuàng)新性人才，才能保證國家競爭力。計(jì)算思維是創(chuàng)新性人才必備的能力，掌握計(jì)算思維能力的作用與意義越來越突出。3結(jié)語計(jì)算思維是新形勢下創(chuàng)新性人才必備的關(guān)鍵能力，是推動我國計(jì)算機(jī)領(lǐng)域及人工智能領(lǐng)域發(fā)展的重要力量。本

20、文以中國期刊網(wǎng)全文數(shù)據(jù)庫為文獻(xiàn)來源，以Key為“計(jì)算思維”的核心期刊文獻(xiàn)為樣本，采用可視化研究技術(shù)揭示當(dāng)前我國計(jì)算思維研究的熱點(diǎn)，以內(nèi)容分析法預(yù)測計(jì)算思維未來發(fā)展趨勢。但計(jì)算機(jī)軟件存在一定的機(jī)械性，不能十分準(zhǔn)確地辨別與計(jì)算思維意義相近的Key，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)難免存在誤差。同時由于自身研究水平有限，研究存在一定的局限。期待有更多的人加入計(jì)算思維的研究，讓計(jì)算思維在多學(xué)科、多領(lǐng)域、多層面發(fā)揮作用。ReferenceReference：1WING J M.Computational thinkingJ.Communications of the ACM.2006，49（3）：3335.2何欽銘，陸漢權(quán)，馮博琴.計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是計(jì)算思維能力的培養(yǎng)九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明解讀J.中國大學(xué)教學(xué)，2010（9）：711.3李鋒，趙健.高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)修訂：理念與