国内外计算思维研究与发展综述*
2018-04-04范文翔张一春
范文翔 张一春 李 艺
(南京师范大学 教育科学学院，江苏南京 210097)
一、引言
计算思维（Computational Thinking）的历史至少可追溯至20世纪50年代[1]，1980年，在麻省理工学院（MIT）的西摩·帕尔特（Seymour Papert）教授的《头脑风暴：儿童、计算机及充满活力的创意》（Mindstorms：Children，Computers，and Powerful Ideas）一书中首次被提及[2]。1996年，西摩·帕尔特教授在发表的文章中再次提及计算思维，他希望运用计算思维来帮助构建具有“阐述性”的几何理论，但他并未对计算思维进行界定[3]。2006年，美国卡内基·梅隆大学（CMU）的周以真（Jeannette M.Wing）教授，为了帮助人们更好地认识机器智能的不解之谜，发表了题为Computational Thinking的文章，提出了一种建立在计算机处理能力及其局限性基础之上的思维方式——计算思维。她认为，计算思维就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，能为问题的有效解决提供一系列的观点和方法，它可以更好地加深人们对计算本质以及计算机求解问题的理解，而且还能克服“知识鸿沟”，便于计算机科学家与其他领域专家交流[4]。自此，越来越多的学者认识到计算思维的重要性，引发了海内外诸多学者对计算思维的广泛关注。
早在2011年，计算思维就已被纳入美国《CSTA K-12标准（2011修订版）》。随后，英国2013年“新课程计划”、澳大利亚2015年“新课程方案”也都将计算思维作为其新信息技术课程的重要内容[5]。在国内，教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会、中国计算机学会等组织，较早对计算思维的概念、定位、目标与培养等方面展开了较为深入地探讨，先后举办了一系列与计算思维密切相关的会议。其中，C9高校联盟在2010年发布的《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》中强调，要把培养学生计算思维能力作为计算机基础教学的一项重要的、长期的和复杂的核心任务[6]。2012年，教育部教高司函〔2012〕188号文件正式公布，批准“以计算思维为导向的大学计算机基础课程研究”等22个大学计算机课程改革项目，以培养计算思维为重点，推动大学计算机课程改革[7]。2013年，教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会发表了 《计算机教学改革宣言》，指出以计算思维为切入点的大学计算机课程改革，将是大学计算机课程的第三次重大改革，旨在通过培养学生计算思维的意识和方法，提高计算机应用水平[8]。在2017新版《普通高中信息技术课程标准》中，则进一步明确指出：信息技术学科核心素养由信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任四个核心要素组成[9]。可见，培养学生的计算思维势在必行。
正如朱亚宗教授指出：计算思维是人类三大科学思维方式（计算思维、实验思维、理论思维）之一，虽然计算思维较晚才受到关注，但它却在当今社会的发展中起着举足轻重的作用[10]。近年来，国内外专家、学者对计算思维的研究都取得了一定的成果，但鲜有文献详细地对计算思维的研究发展情况进行梳理与分析。因此，为了揭示计算思维研究在我国的发展情况、特点与不足，本研究在对国内计算思维相关的核心期刊与硕博学位论文及对国外计算思维研究进展进行梳理与分析的基础上，对国内计算思维研究提出一些期望与建议，以期为今后计算思维研究与实践的开展提供借鉴与参考。
二、研究设计
本研究选取“中国知网”（CNKI）刊发的“计算思维”相关核心期刊文献与硕博士学位论文，作为国内研究样本。核心期刊样本的获取方法为：使用“中国知网”的高级检索功能，在类别来源中选择“期刊”，内容检索条件选择“篇名”，并输入关键词“计算思维”，在文献来源中同时选中“核心期刊”和“CSSCI”进行检索，检索日期为2017年8月8日，共检索出核心文献117篇，剔除非学术性及与计算思维无关的文献后，将剩余的109篇作为本研究的有效期刊文献样本；硕博士论文样本的获取方法、检索日期同上，共检索出硕博士文献34篇，剔除部分与计算思维无关的文献后，将剩余的30篇文献作为本研究有效的硕博学位论文样本。至此，国内研究样本共139篇，即有效的核心期刊文献与有效的硕博学位论文之和，主要采用内容分析法，从研究样本的数量、来源、研究类型等三个不同方面进行分析，从细节入手，全面阐述国内计算思维研究的进展。
国外研究样本的获取方法为：以Computational Thinking为标题，在Web of Science数据库中进行检索，检索日期为2018年1月2日，共检索到相关文献349篇。以研究内容中的理论研究与应用研究进行分类，试图分析：国外研究是如何对计算思维进行解读的，应用研究主要聚焦于哪个层次，在应用方面主要开展了哪些工作，以及取得了哪些进展等问题。根据我们所关注的这几个问题，采用“滚雪球”方法从文献的参考文献中获取相关的文献资料，最终获得国外计算思维研究的样本为423篇。
三、国内计算思维研究成果的数量统计分析
（一）文献数量分析
从图1计算思维文献年度分布情况看出，硕博学位论文数与论文总数的趋势大致相同，可以认为硕博学位论文引领着计算思维的相关研究。有关“计算思维”在核心期刊上的文献最早出现在2009年，第一篇是2009年1月董荣胜等人在 《计算机科学》杂志上发表的《计算思维与计算机方法论》[11]。2011-2014年，文献数量持续增长，究其原因，可能缘于2010年C9高校联盟发布了《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》，明确了计算思维能力的培养将是我国计算机基础教学的一项重要的、长期的和复杂的核心任务。在此背景下，越来越多的学者意识到计算思维的重要性，并积极地开展了相关的研究工作。到2014年，文献数量已达38篇，较2013年增长了123.53%，2015年文献的数量也达30篇，2016年文献数量虽然减少为20篇，但也显著高于2013年及以前的量。因此可以认为，计算思维的研究经过一段较为迅速发展后，增长趋势有所减弱，目前趋于稳定。
图1 计算思维文献年度分布
（二）文献来源分析
我们通过分析文献的来源情况，可以了解当前哪些研究群体对该研究领域较为关注。本研究选取了计算思维文献来源TOP10，来分析计算思维研究的发展态势：其中以《中国大学教学》数量最多，其次为“硕博学位论文”。《计算机工程与科学》、《计算机科学》、《中国电化教育》、《现代教育技术》、《电化教育研究》随后，这说明当前计算思维研究开展的主阵地是高校，计算机科学与教育技术领域的学者是计算思维研究的主力军。此外，还有《职教论坛》、《教育与职业》、《高等农业教育》等杂志。可见，计算思维教育已经引起多个研究领域的重视。同时我们发现，国内计算思维文献来源虽然较为分散，但基本都聚焦于计算思维教育这一主题。
（三）研究类型分析
通常，研究类型是对研究问题总体研究方式的抽象概括，它能较好地反映研究者的研究方式和研究思路[12]。为此，我们参照社会研究类型的分类方式[13]，从研究目的、研究内容两个不同的视角，对计算思维文献的研究类型进行分析，如表1所示。
表1 社会研究的分类
以表1的分类方式为指导，我们对139篇计算思维的文献进行分类，按照研究目的分类与研究内容分类所获得的结果，分别如图2、图3所示。
如图2所示，根据研究目的分类的总体情况，我国学者对计算思维的研究主要以探索性研究为主，描述性研究其次，解释性研究的数量最少，只有7篇，仅占文献总数的4.76%。从文献数量的发展趋势上看，2010年以后，探索性研究与描述性研究的数量都有一定的增长。到2014年，探索性研究和描述性研究的数量分别为26篇和11篇，较上年分别增长了136.36%和120.00%。可以认为，探索性研究与描述性研究的数量都有较为明显的增长趋势，且增长的速度较快。而解释性研究的数量不仅少，也无明显的增减趋势，反映出当前我国学者对计算思维的研究还处在认识和资料积累的探索阶段，对计算思维的研究深度还有待进一步加强。
图2 计算思维文献类型按研究目的分类的统计
图3 计算思维文献类型按研究内容分类的统计
如图3所示，从研究内容分类的总体情况看，我国学者对计算思维的研究在2010年以前以理论研究为主，2010年以后主要以应用研究为主，应用研究的文献数量占总数的59.71%，主要聚焦于如何有效的培养学生的计算思维。从文献数量的发展趋势上看，2010以后，应用研究与理论研究的数量都有较为明显的增长趋势。除了2009年与2017年理论研究的文献数量高于应用研究的之外，其余年份理论研究的数量都显著低于应用研究。这反映我国学者对计算思维的研究，刚起步不久就已实现由理论层面的探讨向应用研究方向转变。然而，随着研究的推进，不少学者意识到理论研究对应用具有重要的指导作用，而计算思维的理论体系还不完善，因此不少学者又重新回到了对计算思维理论的探讨上。
综上，从计算思维文献按研究目的分类结果可知，我国学者对计算思维的研究还停留在对计算思维的认识与资料积累的探索阶段，对计算思维研究的深度还有待进一步地加强。从计算思维文献按研究内容分类结果可知，目前计算思维的研究还未形成完善的理论体系，我国学者对计算思维的关注重心较早就从理论研究转向应用研究。
四、国内研究成果的述评
以上通过对计算思维研究的数据统计，可以反映出这个领域的宏观态势，而文献的研究成果，则可以全面呈现该领域发展的具体情况。我们从研究类型分类方式中的研究内容视角出发，对计算思维的理论研究与应用研究成果进行简要的阐述与总结，便于更为全面地反映国内计算思维研究领域现有的研究成果与发展趋势。
（一）理论研究成果述评
1.计算思维的概念与内涵
虽然有周以真教授的观点为参照，但国内学者对计算思维的理解仍存在不同的看法。董荣胜等人认为，计算思维是运用计算机科学的思想与方法进行问题求解、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[14]；蒋宗礼认为，计算思维是一种与计算机及其特有的问题求解紧密相关的思维形式，在求解各类问题时，有意识地使用计算机科学家们所采用的思想、方法、技术及工具，甚至环境，不仅包括思考，还包括更一般的活动[15]；龚沛曾等人认为，计算思维是由意识、方法和能力三个层次的内容所组成的复合思维[16]；任友群等人认为，计算思维是一种独特的解决问题的过程，是一种可以帮助人们更好地理解和分析复杂问题的思想方法，从而形成具有形式化、模块化、自动化、系统化等特征的问题解决方案[17]；李锋等人则从不同的视角对计算思维进行解读，从认知特征角度认为，计算思维是一种具有技术原科学性特征的、与信息化社会相适应的心理工具；从表现特征角度认为，计算思维是一种基于信息技术解决问题的能力；从信息环境角度认为，计算思维是头脑内部信息系统和外部自然信息系统的合理互动过程[18]。
从上述不同学者所持的观点可以看出，虽然多数学者都强调计算思维作为解决问题的能力特征，但因切入角度的不同，所解读的计算思维也不尽相同。当前，国内比较权威的当属“新版普通高中信息技术课程标准”对计算思维的界定：计算思维是以计算机领域的学科方法界定问题、抽象特征、建立结构模型、合理组织数据，通过判断、分析与综合各种信息资源，运用合理的算法形成解决问题的方案，总结利用计算机解决问题的过程与方法，并可迁移到与之相关的其他问题解决中的一种学科思维[19]。
2.计算思维的特征与价值
我们通过对文献的内容分析，发现我国学者还对计算思维的特征与价值进行了一定的探讨。李廉认为，计算思维是以可行和构造为特征，以有限性、确定性和机械性为标志[20]，可解释证明和关联世界，不仅是计算思维的两个基本特质，也是将计算思维区别于实证思维和逻辑思维的界石[21]；陈国良等人指出，计算思维是一种同时包含数学思维、工程思维和科学思维的综合性思维，其核心概念是抽象和自动化，计算思维教育的目的是培养一种思维习惯，一种像计算机科学家思考问题那样的习惯[22]；唐培和等人认为，计算思维是一种普适性的存在，具有抽象性和自动化的特征，强调的是基于“计算”和创新的思维方法，它是创新思维能力培养的重要载体，能与现有创新创业课程形成有效的互补[23]；任友群等人认为，计算思维不仅能够为分析和解决工作、学习和生活中的各种问题提供新视角，还可以为计算机科学与其他学科的交流对话搭建桥梁，是支持个体终身发展的重要素养[24]；钟柏昌等人认为，计算思维是一种新的、具有广泛意义的思想方法，它具有普遍性，将计算思维教育融入基础教育的信息技术课程内涵中，有利于把计算思维塑造成一种基本的学科素养，凸显其基础教育价值[25]；李锋等人认为，计算思维能够提高学生应用信息技术解决问题的能力、对信息技术应用的批判能力以及在信息社会中的自我调节能力[26]。
综上，计算思维具有概念化、抽象化、有限性、自动化、可解释性、关联性等特征，是融合了数学、工程与科学思维的一种跨学科思维，可被迁移到新的情境，为理解和认识自然、社会及其他现象提供了一个新的视角，为求解问题提供一个新的途径。故此，计算思维实质上是一种可以灵活运用计算工具和方法求解问题的思想方法或思维活动，它的价值不仅体现在能有效地克服知识鸿沟，搭建跨学科的对话桥梁；更为重要的是它对促进人的整体发展和终身发展，具有不可替代的重要作用。
（二）应用研究成果述评
理论研究与应用研究两者是相辅相成的，理论研究的成果指导着应用研究的开展，而应用研究与实际需求是理论研究的推动力；同时，应用研究的成果可以丰富已有的理论知识体系。因此，我们通过对计算思维应用研究的分析与总结，不仅可以展示当前国内计算思维应用研究的研究成果，也可以在一定程度上反映出计算思维研究的发展趋势。
1.应用研究的层次
由于计算思维的应用研究主要集中在教育领域，我们将计算思维应用研究的层次划分为学前教育、中小学教育与普通高等教育。考虑到除上述几种类型外，可能还有教师教育、培训教育等或者是没有明确界定的其他情况。因此，增列了一个“其他领域”的分类。
计算思维应用研究层次分布情况，如图4所示。从图4可知，当前计算思维应用研究还没有涉及学前教育阶段，其他领域的有6篇，中小学教育有17篇，普通高等教育的数量最多，有60篇，占应用研究总数的72.29%。可见，当前国内计算思维的应用研究主要在高校中开展。究其原因，这很可能是由于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》等政策文件中，都明确地指出要培养大学生的计算思维能力。即计算思维应用研究的层次主要集中在高等教育，很可能是受相关的政策导向影响的结果。从内容上看，高等教育的应用主要聚焦于如何培养学生的计算思维，不仅探索了以培养学生计算思维为导向的大学计算机基础课程教学有效改革的相关模式、策略、方法与实践等，而且还从宏观层面探讨了在高等教育阶段开展计算思维教育的相关对策与实施的有效路径。
图4 计算思维应用研究层次分布
近年来，随着关注中小学计算思维教育学者的增多，研究层次在中小学教育的文献数量也有所增加。这些研究也聚焦于如何培养学生的计算思维，不同的是它们更侧重于在信息技术课程中，探索培养学生计算思维的有效教学模式、方法与策略。当前，已有越来越多的学者意识到计算思维的养成需要较长的时间，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，即对学生计算思维的培养应从基础教育开始，一直贯穿到高等教育，才能取得较好的成效。换言之，学生计算思维的有效培养需要打通高等教育与中小学教育。这意味着，不仅要将计算思维教育同时纳入到基础教育与高等教育的教育体系中，更为重要的是需要有更多的学者来关注：计算思维教育在不同教育阶段的目标、侧重点、有效性培养与对接等问题。
2.应用研究的内容
通过对计算思维应用研究的内容进行分析，我们发现，国内计算思维应用研究的内容主要聚焦于对计算思维培养策略、计算思维教学模式和计算思维支持系统的设计与开发这三个方面。
（1）计算思维培养策略。计算思维培养策略以培养学习者计算思维能力为目标，为了促进这一目标的实现，国内学者从不同的视角出发，提出了培养计算思维不同的策略与方法，主要的观点如表2所示。我们通过对国内学者所提出的计算思维培养策略进行分析，发现有的学者是以宏观的视角为切入点，从计算思维教育理论层面提出培养策略；有的是从中观的计算思维教育系统层面提出培养策略，还有的是从微观的视角结合具体的计算思维教育实践提出培养策略。尽管学者们所提出的培养策略不尽相同，但依然较为清晰地呈现出计算思维教育的实践理路：要想有效地培养学习者的计算思维，首先，要对计算思维教育有足够重视，明确计算思维教育的目的是使学习者能够具有像计算机科学家思考问题那样的思维习惯；其次，应加快计算思维教育理论体系的建设，用于指导计算思维教育的有效开展；再次，还应尽快完善计算思维的课程体系建设，创建计算思维的教育课程，或者将计算思维的培养融入到具体的计算机课程中，抑或采取跨学科的方式将计算思维的培养内容与专业知识的学习进行整合，尽可能地充实计算思维的教学内容。在具体教学的过程中要充分使用新技术和丰富的网络资源，根据学生的专业和学习基础情况，采用以学生自主学习、自主探究为主的分类分层教学方式，引导学生发现问题、分析问题并解决解决，在教学和实验训练中激发和培养学生的发散性思维和创造性能力，从而促使学习者的计算思维能力得到有效地提升；最后，还应该重视计算思维教师队伍与计算思维教学环境的建设，打造一支高水平的师资队伍与提供必要的计算思维实验室、实训场地，这也是影响计算思维教育能否有效开展的关键。
表2 国内计算思维培养策略分析
（2）计算思维教学模式。为了促进计算思维的有效培养，国内不少学者结合计算思维的内容与特点，建构了一些面向计算思维培养的“专属”教学模式。牟琴等人在对计算思维特征分析的基础上，分别结合探究教学、自主学习与任务驱动教学模式的特点，建构了基于计算思维的探究教学模式[46]、基于计算思维的网络自主学习模式[47]与基于计算思维的任务驱动式教学模式[48]，通过与传统教学模式比较，发现这几种教学模式都更有利于培养学习者的计算思维能力；张蕾将计算思维的知识和能力培养渗透到具体的教学过程中，引导学生在具体的问题情境下开展自主学习活动，建构了面向计算思维的WPBL教学模式，通过实践验证了该教学模式能够有效地培养学生的计算思维能力[49]；刘君亮在对计算思维与混合学习模式简要阐述的基础上，构建了基于计算思维的混合式学习模型，并对模型的可行性进行了分析[50]；韩秋枫等人尝试构建一个基于计算思维的问题探究式教学模式，模式主要包含提出问题、自主探究、合作探究与总结提升等四个环节[51]；曾夏玲以培养学生的计算思维能力为出发点，构建了基于计算思维的“轻游戏”教学模式，并在计算机程序设计课程的教学实践中验证了模式的有效性[52]；鲍宇等人构建了基于计算思维的问题引导式自主培养教学模型，通过不同层次的问题，引导学生使用计算思维进行思考，在对计算思维进行追踪的过程中，实现对学生的计算思维能力提升的目标[53]。
我们可以从上述的研究中看出，目前我国学者建构的计算思维教学模式，主要是以培养学生的计算思维能力为核心，将计算思维的思想与方法潜移默化地渗透在具体的教学内容和教学过程中，通过引导学生积极参与学习活动，使学生在长时间、系统而复杂的学习活动和心理过程中获得计算思维。
（3）计算思维支持系统的设计和开发。国内学者对计算思维支持系统的设计与开发的研究还很少，目前仅有王芬等人与王耀华对计算思维支持的系统进行了设计与开发。王芬等人以培养学生的计算思维为目标，设计并开发了“大学计算机基础在线教育平台”，该平台主要包含基于计算思维的大学计算机基础网站和大学计算机基础课程练习测试两个部分，并将平台应用于大学计算机的教学中[54]。虽然王芬等人开发的平台功能较为简单，使用的效果也有待验证，但说明了我国学者已经开始在应用开发层面对计算思维开展了较为深入的研究；王耀华设计并开发了基于计算思维的游戏化学习 （CT-GBL）系统，该系统将计算机科学经典问题以游戏化的方式呈现，在增加学习趣味性的同时，使学习者理解计算思维的基本原理与知识体系，从而达到培养其计算思维能力的目的，为计算思维的培养提供了一个新的思路与途径[55]。
（三）计算思维的研究趋势分析
1.计算思维的发展现状
（1）当前，国内计算思维研究处于初级阶段，但发展迅速。自2006年周以真教授在Computational Thinking文章中对计算思维进行详细的阐述之后，就已经引起国内学者较为广泛的关注，至今已积累了较多的研究成果，主要聚焦于计算思维教育。我们从上述的分析中可知，近年来，计算思维研究的文献数量呈较快的增长趋势，学者们也从不同的维度，对计算思维开展了相关的理论研究与实践探索。从研究的目的上看，目前主要还是以探索性研究与描述性研究为主，解释性研究的数量还较少。这说明我国学者对计算思维的研究，还处在认识和资料积累的初级阶段。
（2）当前国内计算思维研究范围较为广泛，却缺乏深度。计算机科学与教育技术研究领域的学者是国内研究计算思维的主力军，此外，农学、医学等其他学科领域的学者也相继地对计算思维教育做了一些探讨。由于学者们研究目的与学科背景都不尽相同，在很大程度上致使计算思维的研究并不聚焦，范围较泛甚至略微有些散。我们通过对文献内容的梳理，发现国内计算思维研究的一致性理论并不多，学者们对计算思维的认识看法也各不相同，计算思维研究的面比较广，研究内容比较分散、不够系统，且研究多停留在尝试和探索阶段，因此我们认为，国内计算思维研究的深度有待进一步提升。
（3）当前国内计算思维在高等教育领域研究多，基础教育领域少。我们通过对计算思维相关文献应用层次的分析，发现当前国内计算思维研究主要集中于高等教育领域，基础教育层面的研究仅占总数的20.48%。正如前述，推行计算思维教育的目的，在于培养学生的计算思维意识和方法，为学生的整体发展与终身发展服务。然而，意识和方法的形成是一个循序渐进的长期过程，所以不能指望在高等教育阶段就能一蹴而就，需要也必须从基础抓起。从全球范围来看，美国、英国、新加坡等国家都十分重视基础教育阶段的计算思维教育。因此，很有必要加大对基础教育阶段计算思维教育的关注，将计算思维教育贯穿于各级各类的教育过程中，实行系统化、前后有机贯通的计算思维教育。
（4）当前国内计算思维研究虽然由理论研究转应用，但未切中要害。我们从前面的分析可知，在当前计算思维的理论体系还不够完善的情况下，我国学者对计算思维的研究，已实现由理论层面的探讨向应用研究方向的转变。前面通过对研究内容的分析，我们发现国内学者为了促进计算思维教育的落地，已经围绕计算思维的内涵、价值、培养策略与教学模式等方面开展了相关研究，但依然有不少关键问题没有涉及或虽有触及但不够深入。例如：计算思维教育的体制与机制、课程体系、实践平台、师资队伍建设、教学评价等关键问题的研究需要突破，才能更好地促进计算思维教育的健康发展。
2.计算思维的发展趋势
（1）2014年文献峰值过后开始回落。无论是对计算思维的理论研究与实践研究，还是对计算思维的探索性研究与描述性研究，都在2014年达到一个峰值，2015年开始文献数值呈一定的下滑。我们通过分析这些文献，发现这主要是2013年《计算机教学改革宣言》为计算思维的研究提供了强劲发展的动力。然而，随着我国课程改革的深入推进，核心素养逐步进入了公众视野，培养学生核心素养成为未来学校教育的基本任务与新的发展趋势。这在一定程度上弱化了国内学者对计算思维的关注程度，致使计算思维的研究热潮有所消退。我们需要特别指出的是，核心素养落实于学科课程教学的前提是学科核心素养的确立。在2017新版《普通高中信息技术课程标准》中，已明确将计算思维列为信息技术学科核心素养的关键要素之一。因此，如何培养和发展学生的计算思维，提高学生应用计算机知识分析和解决问题的能力，依旧是一项需要深入研究和探索的工作。
（2）计算思维教育的研究持续升温。虽然从2015年开始，计算思维的文献数量有所减少，但通过对文献内容的分析，我们发现聚焦于计算思维培养策略与教学模式的研究都呈现持续升温的状态。两者的共同点是都指向计算思维教育的研究，两者的区别在于：计算思维培养策略的研究多是从理论层面，探讨有效培养学生计算思维的方式、方法和途径；而计算思维教学模式的研究多是通过教学实践，来验证所构建的教学模式在培养学生计算思维方面的有效性。我们认为，两者虽然都聚焦于计算思维教育，但是从理论推演出的计算思维培养策略，在具体应用中的效果如何还有待检验，即并不保证这些培养策略一定行之有效。还需要通过充分的实践，来验证所构建的教学模式是否能够较好地培养学生的计算思维。目前，由于这些研究开展实践的时间都较短，所形成的教学效果还不稳定，可推广性也有待验证。因此，关于计算思维教育的有效性与可推广性，无疑会成为今后研究的热点。
（3）计算思维的理论探讨正逐步深入。一直以来，国内也有一些学者专注于计算思维的理论研究，对计算思维的概念、内涵、特征、价值等方面进行了有益的探讨。但鲜有对计算思维理论体系进行深入分析并进行架构，使得对计算思维理论体系的探讨一直不温不火。正因为如此，计算思维的理论体系至今还不完善。令人欣喜的是，2017年理论研究的文献数量不仅暂时领先，而且学者们除了探讨计算思维的概念、本质、特性之外，对计算思维的基础进行了分析[56]。还有学者从计算科学和思维科学的双重视角，根据思维的三棱结构尝试建构了计算思维的三棱结构[57]。可见，对计算思维理论体系的探讨开始逐步深入。实践活动离不开科学理论的指导，只有学者们持续不断地对计算思维的理论体系进行深入探讨并创新，才能促进计算思维实践的进一步发展。
五、国外研究进展及比较与借鉴
2017年6月，“国际计算思维挑战赛”（International Challenge on Informatics and Computational Thinking）中国赛区正式拉开序幕，大赛的目标定位在让3至18岁（幼儿园小班至高中三年级）的学生和教师发展自己的计算思维能力。“国际计算思维挑战赛”作为全世界计算思维最高级别的赛事，对于推动社会各界关注并参与计算思维教育，发挥着重要作用。正如前述，我国对计算思维较为系统进行探讨近几年才开始，计算思维研究整体上还不够成熟，而国外计算思维研究已处于成熟的早期阶段[58]。因此，有必要通过梳理国外计算思维可借鉴的研究成果，进行国内外比较借鉴，为我国计算思维教育的开展提供一些有益参考与启示，才能促使我国的计算思维研究更好地与国际接轨。
（一）国外计算思维研究进展
1.对计算思维的解读
国外学界对于计算思维的解读也存在多样性。最早，周以真教授将计算思维解读成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[59]。2011年，美国国际教育技术协会（ISTE）与美国计算机科学教师协会（CSTA）联合发布了计算思维的操作定义：计算思维是一种可利用计算机和其他工具的方式来解决问题的过程，涉及数据收集、数据分析、数据表示，利用算法思维来制定步骤与资源的最优组合的自动化解决方案，并可将问题的解决过程推广到其他领域[60]。2016年，美国计算机科学教师协会在 《K-12计算机科学标准》（K-12 Computer Science Standards）中更新了对计算思维界定：计算思维是一种解决问题的方法论，这种方法可从计算机科学的领域扩展到所有学科，为分析和开发能够通过计算方法解决的问题，提供一种独特的方法。计算思维专注于抽象、自动化和分析，是计算机科学更广泛学科的核心元素[61]。
英国皇家学会（The Royal Society）在其发布的《停止还是重启：英国学校计算教育的前进方向》（Shut Down or Restart：The Way Forward for Computing in UK Schools）报告中指出，计算思维是一种认识周围世界计算方面的过程，通过应用计算机科学的工具和技术来理解和思考自然、人工系统和工序[62]。 英国的 CAS（Computing At School）组织发布的《教 师 计 算 思 维 指 南 》（Computational Thinking：A Guide for Teachers）认为，计算思维是一个通过逻辑推理进行认知或思考的过程，主要包含算法思考能力、分解思维能力、思考泛化与识别并利用模式的能力、抽象思维能力与评估方面的思考能力[63]。
美国学者布伦南 （Brennan）和雷斯尼克（Resnick）通过多年的Scratch在线社区和研讨会等活动，从实践的视角将计算思维分解为计算概念、计算实践与计算观点三个维度，如表3所示[64]。这种三维度的计算思维解读，在权威性方面虽然不如前面几个，但其有利于将计算思维的培养融合到具体的课程中，便于在不同的课程中培养学生的计算思维，被较为广泛地用于指导具体的计算思维培养实践。
表3 计算思维的三个维度
2.应用研究层次主要集中在K-12阶段
国外计算思维的应用研究也聚焦于计算思维的教育过程，应用层次涵盖了K-12到高等教育的所有学段，但主要集中在K-12阶段[65]。国外之所以聚集在K-12阶段，是因为许多学者与教育界人士认为，计算思维这种“多元抽象的思维”可从计算机科学领域扩展到所有学科，为分析和开发能够通过计算方法解决的问题提供一种独特的方法，理应成为K-12学生的基本要求[66]。更为重要的是，计算思维与培养学生21世纪核心竞争力在许多方面是一致的，譬如创造力、批判性思维与问题解决等[67-68]。随着计算思维被视为科学、技术、工程与数学（STEM）学科的核心[69]，许多教育工作者都深刻认识到，培养K-12阶段学生的计算思维，有助于学生能够尽早的使用计算思维，更好地解决现实世界中遇到的各种问题。这种解决问题的早期经验，不仅可以缓解学生在攻读学士学位课程中所遇到的问题，而且有助于提高本科生的学习兴趣，为他们在这个飞速发展且充满机遇的领域中取得成功做好准备[70-72]。由于目前国外已有的编程教育研究主要在于探讨高等教育阶段的实施问题，相比而言，K-12阶段的编程教育研究显得比较单薄，因此，在探讨如何促进与评估计算思维发展的实际问题时，更加关注K-12阶段。
近年来，为了让所有人都能使用编程技术，普及计算思维的培养，将算法列为21世纪素养的第四个“R”，已在全球范围内蓄势待发[73]。澳大利亚、英国、爱沙尼亚、芬兰、新西兰、挪威、瑞典、韩国、波兰和美国等国家相继发布了相关的官方文件，来推动K-12阶段的计算思维教育[74]。例如，芬兰在2016年执行的新课程中，把专注于数字能力的培养作为贯穿K-12所有年级的跨学科特征[75]。新西兰于2011年就已将计算机科学列为高中阶段的必修科目，包含编程和广泛的计算机科学主题，涉及算法、人机交互、人工智能和计算机图形学等具体内容[76]。美国的ACM、CSTA、NMSI、CIC 与 Code.org联合创建了一个高水平的计算机科学的概念框架与实践框架，致力于让学生能够批判性地参与计算科学相关主题的公开讨论，更好地理解计算在他们周围世界中所起的作用，进而发展成为具有计算机科学文化知识的学习者、用户与创造者[77]。
3.计算思维的教学问题探讨
当前，国外计算思维研究的重心已转向如何促进与评估计算思维发展的实际问题上[78]。关于如何促进计算思维的落地，虽然学者们一致认为应在具体的教学中推进，但在教学中是把计算思维视为一般学科、学科专业还是多学科专题，尚未达成共识[79]。此外，需要在教学中培养的思维并不仅有计算思维，就有必要思考计算思维是否不同于学生正在形成的其他思维？对此，计算思维的倡导者指出，虽然计算思维与数学、工程和设计思想共享元素，并且利用了其他思维方式的相关框架，但计算思维以其独特的方式对其他思维技能进行了扩展[80]。也有人不同意这样的观点，认为尽管计算范式离不开工程、科学和数学的支持，但由于它集中在信息处理方面，故而有明显不同[81]。对此，周以真教授指出，计算思维既有别于其他思维，又与其他思维密切相关，主张将计算思维的解释有机嵌入到具体的实践系统中[82]。也就是说，发展学生的计算思维需要在具体的课程教学中落实。
关于课程的选择，国外相关的研究主要聚焦于计算机编程或计算机科学相关的课程，但也有少量的研究涉及英语、数学、语言艺术等课程。例如，伯克（Burke）将计算机科学整合到英语学习的课堂中[83]，米勒（Miller）的研究揭示了一名13岁的聋哑男孩，在接触Logo语言之后的3个月内的语言发展等方面的情况[84]，卡恩（Kahn）等人利用Toon Talk语言构建计算模型与程序，来探索数学和科学的主题[85]，李杨进（Lee Y.J.）通过案例，分析了一名9岁的小学生在利用Scratch语言开展语言艺术项目时，是如何学习计算机编程的概念和技巧[86]。可见，不仅可以在语言编程、程序设计等“专门”的计算机科学课程中培养学生的计算思维，在应用计算机语言与计算机支持的其他课程教学中，也同样可以促进学生计算思维的发展。
那么，什么样的教学才最有利于促进学生计算思维的发展？对此，国外研究基于不同的理论基础，所采用的教学方式也不尽相同。究其相关研究的理论基础，主要有行为主义、认知主义与建构主义。以行为主义为理论基础的研究，主要在计算机系统的支持下，利用游戏[87]或者电子学习[88]给学生提供反馈，通过强化和惩罚等行为管理策略来发展学生的计算思维。以认知主义为理论基础的研究，主要通过帮助学生将编程概念与已有的知识建立联系[89]，或者是减少学生的认知负荷[90]。此外，也有研究使用思维导图[91]与可视化的程序[92]引导学生思考，致力于通过人脑主体的主观组织作用，促进学生计算思维的发展。然而，大部分研究还是以建构主义为理论基础，这些研究在促进学生发展计算思维所采用的主要方法，既有反思干预[93]与信息处理干预[94-95]，又有计算机提供的项目构建方面的专业支持[96-97]。除此之外，教师[98-99]、家长[100]、同伴[101-102]也可以为学习者在自行设计项目的过程中提供支持和引导。
以建构主义为理论基础研究的共同特点，在于鼓励学生积极主动地构建他们的程序。在这个过程中，学生并不是一个人独自探索，而是在结构化的指导与支持下进行有意义的建构。还需要特别指出的是，由于以建构主义为理论基础的教学，可以较好涵盖计算思维的三个维度[103]，使得基于面向问题解决过程的计算思维框架，成为当前认可度较高的一种有效培养学生计算思维的教学方式[104]，具体如表4所示。
表4 面向问题解决过程的计算思维框架
4.促进计算思维教育的工具
由于在培养学生计算思维的教学过程中，总是不可避免会涉及到算法，使得计算机语言成为了促进计算思维教育的重要工具[105]。随着计算机技术的迅猛发展，计算机语言的数量与日俱增。然而，无论是K-12还是高等教育阶段，学生在计算机语言方面的起点总是参差不齐。因此，并不是所有的计算机语言都适合作为计算思维教育的工具。
我们通过梳理国外的相关研究发现，国外学者在开展计算思维教育探索时，多以“低地板、高天花板”（Low Floor，High Ceiling）作为选择计算机语言的基本原则[106]。也就是说，所选择的工具，不仅要适用于初学者的入门，还要求能够满足高级程序员的需求。此外，有学者认为，所选择的工具还应具有良好的可移植性、支持公平、系统性强与可持续性等特点[107]。在满足这些要求的工具中，可大致将国外学者较为常用的工具，分为图形化/模块化编程语言、游戏化编程环境、基于网络的仿真部署工具、开源电子原型平台与相对简单的高级语言这五大类，如表5所示[108-110]。
表5 促进计算思维教育的主要工具
在这些工具中，图形化与模块化的编程语言最受计算思维教育工作者的欢迎[111]。究其原因，这主要是因为相比高级的编程语言，图形化与模块化的编程语言使得编程变得简单，使学习者避免陷入编程语法的困境，有助于让学生专注于他们的设计和创造。但是，这并不意味着所选用的工具越简单就越好。其实，游戏的设计与开发、机器人等课程中所用的高级计算机编程语言，也是培养学生计算思维的利器。它们不仅能够较好地吸引学生的注意力，还能让学生了解计算机科学，只不过其有效性需要以学生学过Python、Java与Scheme等语言为基础，普适性较弱。故此，关于计算机语言的选择既可以是简单的，也可以是复杂的，只要能与学生已有计算机编程基础相适配即可[112]。也有研究指出，在选择计算思维教育的工具时，除了要考虑学生已有的计算机编程基础之外，将工具与培养目标保持一致也尤为重要[113]。这是因为所选用的工具很可能并不是专门为了计算思维教育而开发的，而工具的开发初衷通常是致力于帮助用户尽可能轻松地完成任务。如果所选用的工具能够自动且准确地帮助学生解决在学习过程中所需理解与探索的问题，那么，这类“傻瓜式”工具显然是不利于培养学生的计算思维。因此，在选择工具时，也应考虑所选用的工具能否有效地训练学生计算思维这一教学目标。
5.计算思维的评价
为充分了解学生计算思维的现状与不足，国外学者十分注重对计算思维进行评价，以期通过评价来促进计算思维教育的健康发展。近年来，国外学者探索与开发了不少可用于计算思维评价的工具，这些评价工具大致可以分为总结性工具、形成性迭代工具、技能转移工具、看法与态度量表与词汇评估五大类[114]，如表6所示。
表6 计算思维评价的主要工具
除了表6中所列举的工具之外，还有许多相关的研究也颇具特色。例如，有研究尝试使用动态图表评估数据分析工具，来评估学生STEM素养中的计算思维水平，使用气候变化模型评估建模和模拟系统，来评估学生的系统思维、建模与模拟的技能，通过这两种可视化的计算工具，使学生能够动态地分析数据，并用计算模型探索相关的计算概念[115]。再如，使用学生创造的或者预定的编程工具，用解构、逆向工程与调试思想为指导，评估学生对计算概念、计算实践、算法思维的理解，来了解学生在计算环境中计算思维的发展水平[116]。又如，让学生通过调试带有错误的电子纺织品项目，对学生的工程和编程技能进行评估[117]。
有研究指出，如果没有可靠与有效的评估工具，计算思维很可能会失去融入教育课程的潜力。鉴于此，一些研究探讨了总结性评估工具CTt与形成性迭代工具Bebras Tasks和Dr.Scratch相结合的综合评价方法[118]。此外，还有研究使用课堂作业与最终项目相结合的评价方法，来揭示CS Unplugged活动促进计算思维的程度，发现存在问题与需要改进的地方，从而制定有效的措施，使更多的学生能够有效发展并熟练地运用计算思维[119]。
（二）对国内计算思维研究的启示与建议
计算机作为一种文化形态，已经渗透到社会发展的各个领域，并与人们的思维活动和思维方式产生了千丝万缕的联系。在这种计算机文化的影响下，计算思维这种可以灵活运用计算工具与方法求解问题的思维活动，有利于促进人的整体发展与终身发展，倍受国内外学者的关注与重视。当前，我国的高等教育阶段，已明确新一轮的大学计算机课程改革，在以培养学生计算思维的意识和方法，提高计算机应用水平。在基础教育阶段，新版《普通高中信息技术课程标准》的课程目标中，也明确指出：要使学生学会运用计算思维识别与分析问题，抽象、建模与设计系统性解决方案，理解信息社会特征，自觉遵循信息社会规范。可见，计算思维教育已然成为我国基础教育阶段与高等教育阶段的重要内容。
然而，我们通过与国外计算思维的研究比较，发现国内的计算思维研究还不够成熟，尤其是对基础教育阶段计算思维教育不够重视。关于如何培养学生的计算思维，国内学者虽然已开展了不少工作，但其可推广性与普适性还有待加强。此外，国内学者在计算工具的开发与应用、计算思维评价等方面的探索都还比较少，而这些都是非常值得深入研究的现实问题。鉴于此，我们在借鉴国外计算思维研究进展的基础上，提出以下期望与建议：
1.必须重视基础教育的计算思维，夯实计算思维理论与实践
关于计算思维的培养，“国际计算思维挑战赛”与国际教育界都聚焦于基础教育阶段，在我国2017新版《普通高中信息技术课程标准》中，也已将计算思维列为信息技术学科之核心素养。计算思维作为一种学习者终生受益的思想与方法，需要在长期、系统的训练中逐渐养成。而基础教育阶段的学生正处于行为、习惯形成的关键时期，因此，必须要格外重视基础教育阶段的计算思维教育。而关于如何开展，怎么与高等教育阶段的计算思维教育进行有效对接，如何构建系统化的计算思维教育体系等问题，很显然还需要我们开展更多的理论研究与实践探索。
2.以编程语言Python进课堂为契机，探索计算思维的有效培养途径
2016年，教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会发布的《大学计算机基础课程教学基本要求》中，建议将Python语言作为首选程序设计课程的教学语言[127]。2017年10月，教育部考试中心发布的《关于全国计算机等级考试（NCRE）体系调整的通知》中也指出，自2018年3月起，在计算机二级考试加入“Python语言程序设计”科目[128]。此外，浙江、北京和山东等省份，也相继将Python编程基础纳入信息技术课程与高考的内容体系中。可以预见，Python语言将迅速进入我国中小学与高校的课堂。在此之前，C语言、Java等语言也在不同程度进入过课堂。因此，可以Python等编程语言进入课堂为契机，深入探索不仅能够有效培养学生的计算思维，而且还具有较高推广价值的教学方式与途径。例如，尝试应用“面向问题解决过程的计算思维框架”，探索在Python语言教学中培养学生计算思维的有效方法等。
3.关注计算工具的作用与影响，构建良好的计算思维学习环境
对学生计算思维的培养，应注重系统性和可持续性，良好的学习环境是吸引学生持续学习的有效保障。随着计算机技术的快速发展，涌现了不少有益于计算思维环境建构的计算工具，这为教学环境的建构提供了有力的技术支持[129]。当前，国外学者已经利用图形化/模块化编程语言、游戏化编程环境、基于网络的仿真部署工具与开源电子原型平台等工具，开展了诸多有益的探索。而我国仅有少数学者开展了以Scratch与App Inventor为工具的探究以及在可视化编程中开展计算思维[130]。在针对不同学生群体时，如何根据学生的计算机编程基础与计算思维 的 培 养 目 标 ，在 Alice、Game Maker、Kodu、Minecraft、Cargo Bot、Toontalk、Light Bot与 Tynker等众多的工具中，选择最为合适的工具，并探究如何利用这些计算工具建构起有效的计算思维教学环境，还需要开展更多的探讨与教学实践。
4.尽快建立计算思维的评价体系，关注计算思维的培养效果
计算思维的培养需要更多地关注、促进学习者思维方式的变化，这些变化是可以通过外显行为表现等加以观察与分析的。对于计算思维培养效果的关注，就需要我们尽快建立计算思维的评价体系。国外学者根据他们提出的评价体系，在总结性工具、形成性迭代工具、技能转移工具、看法与态度量表与词汇评估等计算思维评价工具的支持下，开展了大量的计算思维评价探索。相比而言，我国学者对计算思维评价的关注还比较少。如何制定学界广泛认同的、本土化的、可操作的计算思维评价指标，使用何种计算思维评价工具，用什么样的评价方法有效地衡量学生计算思维的水平，判断计算思维教育的成效，诊断当前计算思维教育的问题之所在等，这些都是今后值得探讨的重要问题。
六、结语
计算思维作为计算时代的新产物，是由大众化信息技术普及而孕育并席卷整个社会的信息文化，正在从计算机科学领域向其他学科领域拓展，显现为一种新的、具有广泛意义的思想方法[131]。这种灵活运用计算工具与方法求解问题的思维活动，对促进计算时代人的整体与终身发展具有不可替代的重要作用。特别是随着人工智能在不同程度上嵌入到人类生活的各个领域，普及计算思维的培养，让人们能够充分运用计算思维来应对人工智能对人类生活与社会结构产生的重要影响和冲击，已成为人们的共识。正因如此，计算思维被视为21世纪人们最需具备的素养与技能之一。
然而，我们在梳理国内外计算思维相关文献时发现，我国计算思维研究的发展总体上还处于较初级阶段，一些研究还不够成熟，对教育教学的实践指导作用尚未充分显现。尤其是如何在不同教育阶段或教学类型中有效开展并发展学生的计算思维，还需要更多、更扎实的理论研究与实践探索。因此，我们希望有更多的学者关注、加入到对计算思维的理论研究和实践验证中，以共同推动我国计算思维教育的快速健康发展。
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